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洗煤厂终端智能控制箱的研究

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摘要:针对洗煤厂传统控制箱线路敷设成本高、机械按钮存在操作磨损、控制线路转接点多且故障率高、控制箱面板元件显示功能单一及箱体安装占用空间过大等问题,设计制作了终端智能控制箱,使现场操作人员可通过平板电脑实现与PLC、传感器及智能设备之间的数据交互,从而替代了传统控制箱与电气设备硬接线连接的控制模式。终端智能控制箱可完成生产系统运行过程中数据在生产岗点的集中显示,可满足复杂多样的生产控制要求,便于实现全厂信息化的实时共享。

关键词:智能控制箱;传统控制箱;设备控制;PLC控制;数据交互;选煤厂信息化

传统控制箱借助电子式仪表、机械仪表、指示灯进行测量显示,机械按钮进行操控。这种传统控制模式已经不能满足现场更为复杂多样的生产工艺及当前技术要求。随着选煤厂自动化水平的提高,目前大部分选煤厂已通过一系列技术革新,完成了生产集控系统的构建,设备控制可在集中、就地、检修三种操作方式下切换,实现了生产系统逆煤流开车、顺煤流停车。但仍有不少选煤厂还在采用传统控制箱进行操控。智能控制终端和可编程逻辑控制器数据实时通讯的方式[1]结合了现有的PLC控制技术、TCP/IP通讯技术和工业平板电脑技术,主要用于工业生产设备就地控制及相关运行参数的检测显示,可代替传统机械按钮式就地控制箱和操作台,能满足复杂的控制要求,易于实现全厂信息化的实时共享。

1传统型控制箱的主要问题

近年来,因受入选原煤煤质普遍变差的影响,选煤厂工艺系统设计趋于复杂,设备选型趋于多样化,参与控制的变量也越来越多,因而对生产自动化程度要求越来越高,使以前普遍应用的就地监控传统型控制箱和操作台越来越不能满足生产需要。主要存在以下问题:(1)在控制系统中的作用日趋狭窄,仅作为现场设备非正常状态下(如检修调试)的一种后备控制方式。(2)传统控制模式采用硬接线方式完成控制信号的传递,借助电子式仪表、机械仪表、指示灯进行测量显示,机械按钮进行操控,已经不能满足现场更为复杂多样的生产工艺要求,越来越无法跟上现今自动化控制高速发展的节奏。(3)随着控制功能的不断增加,传统控制箱每个回路都需要大量的控制线路敷设来完成较为复杂的控制要求,因此桥架、控制电缆及人工等敷设成本较高。(4)机械按钮存在机械磨损,控制线路转接点多,不仅故障率高,且故障的排除工作需要有经验的维修人员来完成,因此控制系统不稳定,维护维修强度较高。(5)指示灯、电子式仪表等面板元件显示功能单一,需要安装空间,易造成控制箱箱体尺寸增大和数量增多。

2终端智能控制箱的设计思路

针对传统控制箱在生产过程中存在的局限性,可将现有的PLC控制技术、TCP/IP通讯技术及工业平板电脑技术相结合,来代替传统机械按钮式就地控制箱和操作台,用于工业生产设备就地控制及相关运行参数的检测显示,通过智能型控制终端与PLC[2]、传感器及现场智能设备之间的数据实时交互方式,来取代传统控制箱与配电柜硬接线连接的控制方式,同时使用智能终端实现全厂信息化的实时共享,完成生产系统运行过程中数据在生产岗点的集中显示,实现复杂多样的生产控制要求。设计思路如下:

(1)要实现智能化[3]终端取代传统控制箱,完成设备的控制以及信息化的共享,必须依靠一个基础平台,那就是全厂网络的建立,实现全厂内的信息共享。通过建立相互独立、安全接口的现场总线,实现智能终端控制模式的基础建设。

(2)智能控制终端是设计的核心,平板电脑的配置高低、性能的好坏直接影响智能控制箱在生产过程控制中的使用效果与使用寿命。智能终端采用一套以嵌入式低功耗CPU为核心(主频1.2GHz)的高性能嵌入式一体化人-机界面。同时还预装微软嵌入式实时多任务操作系统WinCE(中文版)。

(3)建立防火墙。不同的接口有不同的防护硬件和软件防火墙,为新型控制模式的信息化管理和决策提供了基础保障。

(4)双热备冗余可编程控制器的选择。可编程控制器本身具有很高的可靠性、稳定性,双冗余PLC的选择,进一步保障了智能终端的实时在线功能。

(5)智能终端的功能不仅仅是控制设备,还共享设备层PLC、传感器、智能配电元件采集的数据,因此智能终端进一步开发了软总线接口,负责上行和下行数据通讯和规约解释,负责与生产实时数据库的数据通讯,让全厂所有的信息数据经过统一的格式在智能终端上进行共享[4]。

(6)为了保证系统的安全可靠,在PLC控制柜端提供了系统故障时的应急处理,相当于原有控制箱的功能。

3终端智能控制箱的方案实施

3.1主要硬件选型

(1)控制箱箱体:选煤厂的生产环境较恶劣,箱体选用聚碳酸酯或不锈钢材质,在安装配置元件时,对其开孔处进行密封处理,确保智能控制箱安装箱体具有耐热、耐腐蚀、全绝缘、高防护等级(IP65)、高机械强度等优点。

(2)智能控制终端(工业平板电脑):设计采用一套以嵌入式低功耗CPU为核心的高性能一体化人-机界面。该平板电脑采用了26.42cm(10.4英寸)高亮度TFT真彩液晶屏、电阻式触摸屏,外壳是坚固且电磁屏蔽性较好的铝合金结构。操作系统选用的是适合嵌入式和移动技术平台的WinCE。

(3)开关电源:智能控制箱中的工业平板电脑需要处于运行状态,功耗较小,散热较差,为了减弱热量散发和其他电气元件老化,采用开关电源为整个智能控制箱供电。开关电源功耗小、效率高,较宽的稳压范围可以尽量消除电网电压变化给箱内设备带来的影响,且较小的体积易于安装在箱内的导轨上。

(4)按钮和急停开关:智能控制箱内使用一个常闭按钮作为平板电脑的电源开关,在箱内平板电脑关机后,按下按钮即相当于给平板电脑重新通电,通过平板电脑的BIOS设置即可达到通电自动开机的目的。此外,当智能控制箱的软件由于某种原因死机而导致无法用软件方式重启时,这个按钮也可作为硬件重启按钮使用,智能控制终端的软件即使在突然断电的情况下也不会丢失重要配置,而固态硬盘和低功耗主板也不会因为突然断电而损伤。为了应对突发情况,控制箱设有急停按钮,急停按钮的常闭触点直接与PLC输入模块相连,按下按钮即可通过PLC内部程序停止本层设备与上级设备的运行,在事故发生时可以有效保护人身和财产安全。

3.2软件设计终端智能控制箱界面如图1所示,在箱体上设有电源按钮,可根据需要在停电检修时将智能控制箱置于关机状态,也可将控制箱处于黑屏待机状态,按下控制箱面板上的“电源开关”即可在2min内快速开机并进入软件主界面。主界面可以显示调度室下发的消息,以提醒操作员相关事项。软件主菜单有“流程显示”、“设备控制”、“岗点对话”、“信息查看”、“登录”按钮,分别实现不同的功能;右下方的“关机”按钮可实现软件关机。

(1)“流程显示”菜单主要用于监测显示该岗点所在生产流程的上下级设备或其他设备的运行状况,也能显示系统运行过程中的物料、压力、阀门开度等重要参数[5],能够使现场操作人员及时了解系统运行状况,并及时做好本岗点设备运行参数的控制调整。

(2)“设备控制”菜单是现场操作人员需要经常使用的操作项功能,主要用于设备在就地时的启停控制。这个界面也能显示设备的重要参数,如分合闸状态、运行状态、集控/就地状态、运行电流、运行频率、故障信息等。当设备需要就地启动时,操作人员需要向调度室申请,将集控控制位切换至就地位,然后才能进行就地启停设备或控制试车。

(3)“岗点对话”菜单用于代替原有传统控制箱与操作控制台上的“打点”功能,当现场人员需要就地启动某台设备时,为确保上下级关联设备岗点人员的安全,需要操作人员进行信息发送确认设备是否可以启动:如果对方岗点回馈的信息为允许启动时,操作人员方可启动设备;如果对方岗点回馈不允许时,需要操作人员进行等待,直到准许启动设备,方可进行启动控制操作。

(4)“信息查看”菜单可实时显示设备的运行状态,如电流、电能量、设备的综保信息[6]等;也可查询已存储设备的以前的信息,如维修记录、保养记录、故障记录、正常运行时间等。它主要用于设备在日常操作、维护及故障判定处理的辅助指导,通过其所含的“设备信息介绍”、“使用维护指导”、“故障处理指导”三个子菜单,使现场工作人员了解正确的操作方法、设备日常维护注意事项、设备故障排查指导及设备完好标准。

(5)“登录”菜单有三种账号登陆模式。每个岗位操作员均有属于自己的账号,在操作员上岗时,输入自己的编号和密码,进入登录状态后方可对设备进行控制,对设备参数进行调节。检修员账号用于查看设备的电机保护器等其他信息。管理员账号对整个软件进行检查、调试和修改,将智能控制箱作为一个进入集控系统内部的窗口。管理员可以进入智能控制软件的后台界面,查询软件运行状态和通讯状态,处理各种软件故障,或者对整个软件进行功能修改和升级,后台界面的具体功能如下:①查询综保故障的详细信息及相关时间记录,为设备故障排查处理提供方向;②调用查询其他岗点工作是否正常;③终端智能控制箱与电动机启动管理器的通讯自检;④终端智能控制箱与集控主站的通讯自检;⑤终端智能控制箱组态、驱动软件自检;⑥终端智能控制箱软件故障复位。

4应用实例

4.1高庄选煤厂终端智能控制软件设计

无论是全面的信息采集还是设备与设备之间的信息交互中,完善、高速、安全、稳定的通讯网络在自动化控制系统中都起着至关重要的作用。高庄选煤厂PLC控制系统[7]主站CPU与工业数据库服务器和组态客户端[8]一同接入机房内的工业交换机,再链接到核心交换机的工业VLAN。厂内其他PLC分站(如部分选煤设备自带的小型PLC)的CPU均位于配电室或设备附近的控制箱内,将厂房和配电室内PLC的以太网接口与配电室的交换机的工业VLAN相连,再由遍布全厂的光纤网络连接至调度机房的三层核心交换机的工业VLAN上。此外,厂房内用于采集电机保护器数据的串口服务器、用于设备控制的智能终端和工业操作台同属PLC网络与PLC等设备一同接入。

4.2效益分析

高庄煤矿选煤厂为满足其设备控制要求且实现岗位“打点”功能,如采用原有传统控制箱,每个回路需选用12芯控制电缆(KVV-12×1.5),如果设计两个四回路控制箱,一个回路按240m进行计算,需要敷设线路成本为20元×240m×8=3.84万元,同时还需选用200mm×100mm的桥架,桥架敷设成本为1.7万元,故总成本约为5.54万元。而采用现场智能控制箱仅需要向较近的环网交换机敷设一根超五类以上的网线和一根两芯电源线,即便需要敷设小型桥架,其成本也不会超过一万元,仅安装材料费就可节省4.5万元。

5结论

(1)通过对智能型控制终端和可编程逻辑控制器数据实时通讯方式的研究,解决了选煤厂传统控制箱与配电柜硬接线连接的控制方式,可有效减少原有控制箱和操作台通过硬接线及机械电铃来完成岗位之间的单一信号传递给现场生产带来的不稳定、不安全因素。

(2)高庄选煤厂的实际应用表明,采用终端智能控制箱既可保证设备运行的稳定性、高效性,又能有效降低成本,减少生产现场控制桥架、控制线路的敷设,减少线路压接点,提高控制的稳定性。

(3)在终端智能控制箱的使用上,为确保通讯的稳定性,其上位机和智能控制箱的总数量不要超过所选PLC所允许的最大上位机数量。这就要求在PLC选型上要提高其性能要求,即具备通讯扩展功能。同时,为提高控制系统运行的稳定性,建议控制系统具备双机热备功能。

参考文献:

[1]韩兴连.基于智能控制箱技术的水厂自控系统[J].自动化应用,2014(10):44-45.

[2]代保川.PLC单相电流取样在选煤厂自动控制系统中实现电机智能保护[J].电工技术,2013(7):44-45.

[3]赵光辉.大型、特大型选煤厂模块化智能控制模式的构建[J].露天采矿技术,2016,31(7):52-56.

[4]钟建国,孟凡芹.基于Agent的选煤厂控制与维护管理集成研究[J].微计算机信息,2006(28):40-42,76.

[5]王贵成.洗煤厂集中控制系统升级改造方案浅谈[J].黑龙江科技信息,2011(18):83.

[6]曹娜,汪海涛.罗克韦尔E3Plus智能电机综合保护器在选煤厂集中控制系统中的应用研究[J].硅谷,2014,7(13):72-73.

[7]潘海军.PLC在神华乌海能源公司选煤厂控制系统的应用与研究[D].呼和浩特:内蒙古大学,2012.

[8]马香娟,陈庆新,苑小光.PLC集控系统在选煤厂生产中的应用[J].山东煤炭科技,2014(6):165-166,169.

作者:单勇;冯永;曲吟源;殷宪文;张光玉 单位:枣庄矿业集团

洗煤厂终端智能控制箱的研究责任编辑:张雨    阅读:人次
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