西门子PLC构成的DCS系统在煤矿压风机车间的应用

　摘要：
本文主要介绍以西门子S7-300PLC、WINCC V6为结构的DCS系统在煤矿压风机车间的应用，通过对系统硬件设计方法和程序设计思想的介绍,使读者了解DCS系统是如何实现压风机的自动控制的。

关键词:
DCS系统，PLC,压风机，HMI/SCADA软件系统

一、概述
　　 DCS系统,英文名称为DISTRIBUTOR CONTROL SYSTEM,它是目前国际自动控制行业主流系统,它广泛应用在化工厂、电厂、变电所、炼油厂、煤矿等自动控制系统中，实现数据的集中采集、集中控制和自动控制等功能。现在，各大电气公司纷纷推出自己的DCS产品,西门子公司的S7-300PLC和WINCC v6构成的DCS系统，是比较有名气自动控制系统，此系统在我们淮南矿业集团已有多套应用在煤矿压风机车间。此系统应用在压风车间后，改变了以往压风车间分散仪表控制,简化了控制线路,提高了压风车间的稳定性,而且使得压风车间控制的灵活性增加,使得压风车间有更加完善的控制。下面以我个人的实践经验来介绍一下煤矿压风机车间的DCS系统。

二、DCS系统的结构
　　一般DCS系统分为二大部分：上位机部分和下位机部分，西门子公司的DCS系统的上位机部分为WINCC V6，下位机部分为S7-300PLC。上位机含有HMI/SCADA软件系统WINCC V6,它是一种组态软件，它的英文名称为Windows Control Center(视窗控制中心)，它不仅具有监控和数据采集（SCADA）功能，而且具有组态、开发和开放功能。下位机分为CPU部分和模块部分，S7-300PLC的CPU模块含有电源，它最大的优点是含有I/O模块，另外它还带有三种模块，分别为模拟量输入模块（AI模块）、开关量输入模块（DI模块）、开关量输出模块（DO模块），这三种模块通过底部总线与CPU模块进行通讯，把采集来的压风机的模拟量信号、开关量信号送入CPU，一般一个CPU带8个模块，每个模块的每个通道,CPU都通过专用的软件分配有地址,这些地址为CPU内寄存器地址,例如DI模块分配地址为I12.0--I12.7,DO模块分配地址为O124.0—O124.7。

三、DSC系统具体控制原理
　　 DCS系统上位机系统的主要功能为数据采集、数据历史记录、报警记录、报表系统，下位机系统主要为PLC的软件编程。

（一）上位机软件控制原理
　　数据采集（SCADA）功能是Wincc V6最基本的功能，它把压风车间所有设备的运行数据采集上来，供给压风司机监控。以压风机的温度显示为例，说明DCS系统采集数据的过程， 压风机温度测量是采用Pt100热电阻，此热电阻采集来的温度信号通过三芯屏蔽传输到PLC的AI模块的一个通道，AI模块把此温度信号转换成数字量，然后通过底板总线传到CPU模块，CPU接到此信号后，把此信号存入到一个相应的寄存器中，然后通过Profibus协议与上位机进行通讯，上位机中的Wincc V6采集到这一地址寄存器中的数据后，通过一定的转换在上位机的界面中显示出来，使压风司机看到这一温度值。数据采集过程图解如下：


　　压力、流量、电压、电流、电机开停状态数据都是通过此过程把数据采集上来的。
　　数据历史记录是把设备运行数据记录下来，以供以后查询用，当设备出现故障时，可以记录设备当时的运行数据，以方便对设备的故障分析。报警记录是指设备运行数据出现报警值时，把报警值记录下来，以方便对系统的故障分析，另外还可以提醒运行人员及时排除故障，以防事故的扩大。报表功能是可以按时打印运行数据，不需人工抄运行数据，这大大提高了运行效率。

（二）下位机控制原理
　　下位机的PLC的编程，为压风机集控和自动控制的核心。现以压风机的二级排气压力自动调节为例，说明压风机的自动调节过程。智能压力变送器把压风机二级排气压力信号转换成4—20mA电流信号，然后通过屏蔽电缆把此信号传输到PLC的AI模块，AI模块把此信号传输到CPU模块，CPU接到此信号后，把此信号通过PLC的梯形图，与相应的卸荷值和增荷值进行比较，当测量值大于卸荷值时，PLC会输出一个量，通过DO模块来控制相应的卸荷电磁阀动作，使压风机卸荷，从而二级排气压力下降；当测量值小于增荷值时，PLC会输出一个量，通过DO模块来控制相应增荷电磁阀动作，使压风机增荷，从而二级排气压力上升。这一系列的过程都不需人干预，完全是自动化。调节过程示意图如下：


　　集中控制是指我们可以在上位机集中控制高低压开关柜合分，水泵的起停以及压风机的起停。水泵自动控制一般为水泵的联锁控制，打入联锁的情况下，当一台水泵故障停止后，另外一台水泵会自动起来，保证压风机不会因为水泵的停止而跳机。

三、DCS系统的扩展
　　DCS系统通过PLC的I/O模块来采集数据，另外通过总路线技术，还可以与压风车间的数显仪表进行通讯，监控这些数显仪表。我们压风车间水泵电机综保采用的是MPC数字式电机综合保护器，具有MODBUS通讯协议，通过这一协议，上位机Wincc可以读取电机各相电流、报警类型、故障类型等。我们压风车间高压开关柜上的DMR301数字式多功能继电器，可以通过MODBUS协议与上位机进行通讯，上位机通过此继电器可以获得开关柜电压、电流、电度、报警类型、故障类型等信息。压风车间的励磁柜、直流屏、以及变压器上数显温度表也具有通讯功能，通过MODBUS协议，与上位机Wincc进行通讯，Wincc可以把励磁柜、直流屏以及变压器上数据采集上来，提供给压风机司机看，从而达到监控这些设备的目的。总之，利用总线技术，DCS系统可以形成一个大网络，通过这个大网络，上位机中的Wincc可以监控整个压风车间所有设备，获得这些设备的信息，从而保证压风车间设备的正常运转。另外，压风车间的系统还可以向外拓展，与全矿的管理信息网联在一块，从全矿的每台计算机上都可以监控到压风车间的运行情况，我们也可以在我们矿调度室进行集中控制压风机的起动和停止，实现压风车间的无人化车间。我们还可以把此系统拓展到整个Internet网，从全世界各个角落都可以看到我们矿压风车间的运行情况。（网络示意图如下）


　　压风车间采用DCS系统后，提高了压风车间的自动化程度，基本上可以达到无人化车间，极大的提高了压风车间的运行效率，为煤矿创造了巨大的经济效益。

作者简介：刘良,男, 1974年出生,毕业于淮南矿业学院电气自动化专业,工程师,现工作在淮南矿业集团潘北煤矿机电部