西門子自動化產品在煤礦主井提升信號及自動裝卸載系統中的應用
關鍵詞：主井提升信號及自動裝卸載;可編程控制器;工業光纖環網; 監視軟件; 稱重系統; 超聲波料位計.
一、 項目簡介
1.顧橋煤礦是淮南礦業集團實施“建大礦、辦大電、做資本”發展戰略，建設煤電一體化新型能源基地而首批開工建設的核心工程，建設規模年產1000萬噸，是亞洲開采規模最大的礦井，被譽為“亞洲第一井架”。西門子控制系統應用后,業主認為明顯降低了設備故障率、簡化了操作、減輕了工人勞動強度、提高了生產運行的安全可靠性、最大限度地縮減裝卸載的時間,達到了提高產量，實現增效的目的.
2.顧橋礦井主井深800米，井筒直徑為7.5米。主井架高78.6米，重854噸，裝備2套32噸箕斗，年最大提升能力1440萬噸.井下每套裝載系統對應三個40米原煤倉，倉下有六臺給煤機，一條寬1.4米長60米的裝載膠帶機，膠帶機對應一個32噸的定量斗，定量斗下有定量斗閘門和裝煤分配器及舌板。卸載采用曲軌卸載方式。
3.整個系統使用315-2DP CPU模板 3個，PS307 電源模板 3個，32點DI 7個，32點DO 7個，8CH AI 2個，OLM 光纖鏈路模塊 3個，CP5611 1個，WINCC RC1024 1套，CP342-5通訊模塊 1個，CP343-1以太網模板 1個，MiniRanger Plus200 雙點料位儀表 1個，XPS-15探頭 2個，SITRANS LU02雙點料位計 1個，XLT-60探頭2個，SIWAREX U 稱重模塊 2個，CC-100T稱重傳感器 4個。
4.礦區圖片
二、 控制系統構成
1. 系統結構圖
2. 系統軟硬件配置
 在提升機房設S7-300 PLC主站，在卸載站設S7-300 PLC分站，在井下裝載設S7-300 PLC分站。
 S7-300 PLC CPU 采用315-2DP ，主站和分站之間通過OLM組成PROFIBUS-DP工業光纖環網。
 提升機房還設上位機，通過CP5611與提升機房S7-300 PLC主站的MPI口連接，組態軟件采用WINCC。
 提升機房S7-300 PLC主站的通訊模板CP342-5與提升機主PLC S7-400組成PROFIBUS-DP，通訊模板CP343-1提供給全礦井綜合自動化以太網接口。
 在卸載煤倉和裝載煤倉分別使用SIEMENS MiniRanger Plus短量程物位計和SITRANS LU長量程物位計。
 在井下定量倉采用CC系列柱式稱重傳感器及SIWAREX U 多功能的稱重模塊。
 在三個PLC站還設置DI 數字量輸入模板、DO 數字量輸出模板、及AI模擬量輸入模板。
3. 軟硬件選型依據：
 遵循“五高”建設方針，即高起點、高技術、高質量、高效率、高效益，突出效益優先;
 技術先進，可靠性高，擴展與升級容易，具有故障自診斷功能，做到夠用、適用、好用、易擴展;
 網絡通訊功能強大，易于與其它系統集成。
設備層選用SIEMENS 的超聲波料位機，非接觸式技術減少維護 、易于安裝：使用可移動的紅外編程器易于編程 、帶背光的液晶顯示器顯示標準工程單位讀數 。稱重模塊經過系統的集成，明顯降低費用。增加精度及可靠性，系統更換無需重新標定，模塊稱重故障報警容易記錄和監測。精度：0.05%具有65535分度分辨率 、無需調節重量能進行理論的調節 。
控制層選用S7-300 PLC 315-2DP通過OLM組成PROFIBUS-DP工業光纖環網。12M 的通信速率和可靠的通信質量、靈活的拓撲結構以及冗余的通信模型 、強大的通信功能，支持基于總線的驅動技術和符合IEC61508 的總線安全通信技術，是整個系統安全可靠運行的保證。
信息層選用SIEMENS工業以太網及WINCC組態軟件，利用工業以太網，SIMATIC NET 提供了一個無縫集成到新的多媒體世界的途徑，工業以太網技術上與IEEE802.3/802.3u兼容，使用ISO和TCP/IP 通訊協議。WinCC集生產自動化和過程自動化于一體，實現了相互之間的整合。
4. 方案比較：
與第一代繼電器和集成電路同類產品和第二代PLC加傳統簡易傳感器及進口的裝卸載系統相比，此系統具有以下優勢：
 整個系統有機的完美結合，所有數據信息均可通過軟件分析及網絡傳輸，是一套真正的全數字，全集成的系統。
 系統采用現場總線通訊的方式,減少了現場的布線。
 減少了系統的投資，增加了設備所帶來的經濟效益。
 縮短了系統現場的調試時間。
 增加了系統的安全性，可靠性，穩定性，先進性。
 給現場的工程師維護帶來了極大的方便，減少了設備后期的服務。
三、 控制系統完成的功能：
1. 主要功能特點
☆ 主井提升信號及自動裝卸載各自具有自動、手動、手動解鎖三種工件方式，點動方式用于裝卸載的調試和檢修。信號在檢修狀態只有慢車信號。
☆ 自動裝載定量、定容、定時保護及顯示。
☆故障自動報警功能，及傳感器的故障自診斷。
☆ 提升次數記憶功能和提升信號的斷電記憶功能。
☆ 有工業光纖環網冗余通訊功能。
☆ 上、下井口信號間的閉鎖功能、檢測箕斗的裝卸載位置異常功能
☆ 防止二次裝載保護功能。
☆ 主井提升信號及自動裝卸載有上位機系統、能監測各個設備的運行狀態、故障記憶查詢、產量的累計及報表、空載、滿載、超載的標定，及定量斗假余煤的校零功能。
☆ 與絞車控制回路的閉鎖功能、及PROFIBUS-DP軟件通訊回路閉鎖。
☆ 有聯絡呼叫功能。
☆ 有井上下煤倉煤位的連續實時監測功能。
☆ 有與全礦井綜合自動化的以太網接口。
☆ 系統有供電電源的絕緣監測與電壓監測功能。
☆ 有箕斗的卸載狀態監視功能，檢測箕斗是否卸空。
☆ 有對裝載皮帶的溫度、煙霧、跑偏、堆煤、斷帶及拉線急停的保護功能。
☆ 有對動力負荷的保護上位機監測功能，如缺相,短路,堵轉,過載,相不平衡,漏電等故障進行監測保護。
☆ 整個系統的通過網絡訪問維護功能。
2. 系統工作流程圖與系統工作原理
系統工作流程圖
◇ 井下信號、裝載系統自動方式：以A箕斗為例,B箕斗與其操作相同。
＊注：按裝載急停按鈕，可使裝載站設備在任何狀態下停止輸出。按下信號急停可使提升機在任何狀態下停止運行，信號閉鎖在箕斗到位狀態下按下，可防止提升機啟動。
◇井口信號、卸載系統：A箕斗為例
＊注：按卸載急停按鈕，可使卸載站設備在任何狀態下停止輸出。按下信號急停可使提升機在任何狀態下停止運行，信號閉鎖在箕斗到位狀態下按下，可防止提升機啟動。
自動裝載的順序是：箕斗到位后，箕斗到位傳感器自動發出停車信號，定量斗閘門打開，裝載控制臺顯示屏上的閘門開燈亮。定量斗開始向箕斗裝煤，等到顯示屏上“定量斗滿載”LED顯示熄滅， “定量斗空載”LED顯示點亮，，PLC自動關閉閘門。等到顯示屏上的閘門燈亮，信號自動發出，（使皮帶向定量斗裝煤）同時啟動皮帶機，再經過一段時間延時，等到皮帶機正常運轉后，啟動給煤機開始向定量斗裝煤，此時稱重顯示瞬時值，等到顯示屏上出現“滿載”LED 顯示，自動停止給煤機，皮帶機運轉，為下一勾提升作準備。當裝載過程中出現特殊情況時，可按下裝載部分的急停按鈕，整個裝載部分設備將全部停止工作，等到故障處理完后再進行工作。
3. 系統中的控制難點：
 整個系統中三個站PLC通訊控制的連貫性，因為整個裝卸載系統的每個循環周期必須達到設計時的23秒鐘內，所以系統在軟件上，PLC間的通訊及稱重的實時運算必須緊密的結合，各個控制部分必須全集成，否則提升周期很難保證，無法保證設計提升產量。
 動態稱重監測控制：因為在一個定量斗下設置了4臺稱重傳感器，所以必須要到PLC做定量斗的去皮，及空載、滿載、超載的運算及設定。PLC對高精度稱重模塊進行現場控制，從高精度稱重模塊取得現場高精度的稱重值，進行自動稱量操作，并向稱重模塊發出各種控制指令。PLC與稱重控制及判斷過程狀態，形成一個閉環控制系統，實現生產的高度自動化。
 超聲波料位控制系統：針對井上煤倉倉體小10米，物料變化快及井下原煤倉倉體大40米，原煤粉塵嚴重的特點，選擇安裝位置十分重要，避開下料孔，計算超聲波探頭的發射角，使用Dolphin Plus 軟件分析回波情況，找到最佳探測點是系統穩定可靠的難點。
 防止箕斗提升的超載及二次裝載問題，利用高精度的稱重模塊及與PLC的運算、閉鎖邏輯。利用PLC中的DB數據塊的掉電記憶功能，即使是在任何情況下都不能使提升機超載提升，防止提升事故的發生。
 上位機WICC 系統通過ODBC接口在報表中打印Microsoft Access數據庫中的數據，及WICC的集成診斷功能。
4. 部分畫面照片：
四、 項目運行：
2006年4月份系統軟硬件調試完成，正式投入使用至今,設備運轉情況良好，未出現任何故障，得到了用戶的認可和好評。由此可以證實，系統的設計、選型是合理的，系統的運行是可靠的，系統的技術及檢測手段是先進的，達到了最初的設計要求。
五、 應用體會：
這個系統在應用中的最大特點就是它的全集成特性、產品的可靠性及技術的先進性。全集成（TIA）使得項目的調試，軟件的編程，硬件的接口，變得容易，省掉了近一半的工時。由于它的高可靠性使其成為煤礦咽喉一樣的主井提升信號及自動裝卸載控制的首選產品。由于它的技術先進性使得整個項目減少了現場的布線，減少了維護量,井下工人的減少,保障了礦井的安全高效運行。
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