矿山充填系统的仪电控一体化方案设计应用

1  前言
    矿山充填是井下生产的重要一环，充填质量的好坏直接关系到整个矿山的安全生产。
    传统的充填系统依靠常规仪表控制充填料浆的浓度，人为因素较多，工人的劳动强度大，存在不同程度的充填生产质量问题。
    随着计算机系统的普及，特别是近两年现场总线设备的快速发展，为矿山充填生产线的改造提供了强有力的技术支持。
    2003年初，龙首矿计划对东部充填搅拌站系统进行全面改造。自动化研究所承担了仪、电、控设计任务。该项目于2003年6完成初步设计。根据矿山充填站的生产现状及当时自动化的发展实际，在该项目中大胆采用了仪表、电气、控制系统、工业视频一体化设计方案。项目于2004年初实施，2004年7月投入正常生产。

2 系统构成
    项目设计内容包括仪表、电气、计算机控制系统、工业电视系统4个部分。其中测量仪表22台，具体包括流量（有冲板、有电磁）、温度、物位（雷达式物位）、调节阀等。电气拖动设备19台，设备网变频器10台，设备网现场操作箱12台，设备智能箱2台。计算机系统1套。工业电视1套，6个点，其中2个点云台控制，带录象功能。
    以计算机控制系统为核心，实现仪电控一体化的控制思想。
    仪、电、控控系统的构成如图2.1所示。




1.1上位计算机系统
    上位计算机采用工业级的计算机，Dell/1.5GHz/128M/40G，内置音箱。两台计算机实现冗余控制，采用标准电脑键盘便于维护更换，配置以下软件：windows2000操作系统。RSView32，生产设备监控组态软件。RSNetWork，现场总线（设备网）管理软件。

1.2下位工业控制器系统
    下位控制器采用美国罗克维尔公司生产的SLC500控制系统。包括16M处理器，带工业以太网接口，电源，模拟量输入输出模板，开关量输入输出模板。

1.3现场总线设备
    现场总线是生产过程区域现场设备与中央控制室系统之间的一种串行、数字式的双向通信的数据总线，是一门新兴的技术，是控制系统今后主要的发展方向。这种技术不只是新颖，而且设计思想对生产自动化程度以及生产效率的提高都有益处。采用现场总线设备后，检修工作大大降低，同时现场设备免维护的量加大，可以保证设备能够长周期稳定的运行
    本项目采用了设备网现场总线，具体设备包括：设备网适配器，设备网电源。设备网下挂的操作箱、信号箱、设备网变频器等。设备网电缆。

3 功能介绍
    整个系统采用了仪表、电气、控制系统一体化的设计思想。现场的设备数据传输以IO模板和现场总线的方式实现，采用两台冗余上位计算机实现人机对话，通过下位控制器以程序指令的方式实现全部生产过程的逻辑及复杂控制。

3.1仪、电、控设备部分

3.1.1 仪表系统
    取消传统的仪表盘柜，所以仪表测量数据的显示、以及调节仪表的参数设定、调节全部在上位计算机上完成。
    仪表信号以2线制或4线制两种方式通过模拟量输入板直接采入控制器，采用标准的4-20mADC输入信号。
    现场执行仪表(如调节阀)由控制器的模拟输出板以标准4-20mADC直接驱动。
    所有仪表数据的显示、报警，以及数据修改等全部在上位计算机完成。
    控制方案、PID回路及相关参数、连锁逻辑报警、仪表程序指令等存贮在下位控制器中。

3.1.2电气系统
系统中的电气信号传输采用了以下方式：
?☆因控制器设置于低压配电室，所以来自低压柜的开关量输入（DI）信号以系统配源（220VAC）的方式通过开关量输入板直接采入控制器，不再另外设置24VDC继电器转换隔离。
?☆开关量输出（DO）通过开关量输出板再经24VDC继电器隔离后以无源方式输出。
?☆所有电气设备的机旁操作箱、远方电气设备（如远方皮带机）、全部变频器等设备以设备网现场总线的方式通过设备网适配器下挂于SLC500控制器。
?☆所有电气设备的状态显示、故障报警、启动停止操作，以及有关数据的修改等全部在上位计算机上集中完成。
?☆单台电气拖动设备的操作方式设置为三种状态：机旁、检修、集中。由机旁操作箱的转换开关确定不同工作方式。当处于检修状态时，任何地点都不能起动设备。停车功能在任何方式下都可以有效。当设置处于机旁工作方式时，设备处于无联锁。所以机旁工作方式用于设备检修后的试车，正常生产时设备应处于集中工作方式。
    设备的启动停止、控制连锁逻辑、电气程序指令、部分设备的报警功能等存贮在下位控制器中。

3.1.3计算机控制系统
    计算机控制系统主要分为两大功能块：一是上位计算机系统。主要是人机操作画面。二是下位控制器。主要是控制程序。
    通过人机操作画面实现人（生产操作员）与现场设备的联系。所有生产设备的状态及数据在上位计算机以约定的方式实时显示。操作员通过上位计算机将操作指令及修改的数据同步下传至下位控制器。



   
    如图3.1.3_3所示为搅拌桶给水量调节的操作画面。

3.1.4设备网现场总线
    现场操作箱、变频器等设备以现场总线的方式。通过一根网线与设备网相连接，所有数据，信号由网络进行通讯。
    设备网的设备通过1747-SDN适配器下挂于SLC500控制器,网络介质采用粗缆，传输距离500米，传输速率大于125KB。
    现场智能操作箱通过内配一个1747-8B8P的BLOCK/IO模块实现开关量数据的上下传输。
    变频器通过可选件GM5通讯卡实现包括开关量、模拟量的上下双向传输（包括设备状态、启动停止驱动、运行电流、工作频率等）。

3.2上位计算机监控组态
    实际生产中的人机对话通过上位计算机中的RSView监控组态软件全面实现。如图3.2_1所示是整个生产工艺流程图。




    常规仪表盘的数据显示、电气操作台的显示操作等，全部通过上位计算机以形象的、可视化图形方式、通过计算机鼠标的点击实现。如图3.2_2所示是1#皮带机的启动停止画面。





3.3下位控制器控制程序
    下位程序指令是整个控制系统的核心部分，所有的控制功能的实现、设备的连锁保护、数据的采集处理计算、复杂调节回路的完成等等全部由
    存贮在下位控制器中的程序指令完成。如图3.3_1所示是仪表数据采集转换指令。
    数据采集由SCP指令完成。前级通过GEQ指令做比较。采用MOVE指令进行数据清零。




    如图3.3_2所示，是双螺旋给料机（采用了变频调速，通过设备网总线实现通讯）的开停车操作画面。可以在设备旁（即机旁）或中央控制室两地进行选择性操作控制。由设置在机旁操作箱上的转换开关确定操作方式。正常生产时在中央控制室上位计算机上完成设备的开、停等操作。当设备检修时，可将转换开关置于中间停车检修位置。
    在上位计算机进行设备起动或停止操作时，为了确保操作指令的可靠执行，当操作工手按下操作按纽时，在程序指令中加入了自锁延时功能。其它变频设备的控制程序编制原理相同。
    所以电气设备的机旁操作箱采用了设备网智能操作箱，指示灯、操作按纽等指令全部通过设备网总线方式传输。




    部分仪表测量数据的简单报警保护直接在上位计算机通过RSView实现，复杂的逻辑控制及报警保护可以通过下位控制程序实现。
    有关仪表、电气、控制系统的重故障报警可以通过外部警铃向生产操作人员及时提示。

4 结语
仪、电、控、视频一体化方案在矿山充填系统的成功应用，彻底改变了传统工业生产模式。在金川集团公司矿山生产的发展中，具有深远的意义。特别是采用了设备网现场总线技术后，从设计、施工到生产运行中的在线维护、以及系统后期的设备增容等都十分便利。缩短了设备维护处理时间，提高设备开动率，降低停工时间和间接费用，特别是降低工人的劳动强度，提高了企业生产率。
相信仪电控一体化方案的设计应用以及现场总线这一新兴的技术在不久的将来就会全面应用于工业生产中。