The Application of Beckhoff CX1000 controller to strip coal mine transportation system
摘要：本文介紹了基于德國Beckhoff CX1000新型控制器的中電霍煤集團(tuán)北露天礦地面輸煤集中控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)以CX1000控制器為控制單元，通過工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的監(jiān)控和生產(chǎn)作業(yè)及管理。
關(guān)鍵詞：CX1000，實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，膠帶運(yùn)輸機(jī)
0 引言
中電霍煤集團(tuán)北礦地面輸煤集中控制系統(tǒng)是中電霍煤集團(tuán)為霍林河在建火力發(fā)電廠地面輸煤系統(tǒng)的集中控制部分。擔(dān)負(fù)著火力發(fā)電廠的用煤輸送任務(wù)，連接霍林河北礦露天煤場與火力發(fā)電廠。運(yùn)煤輸送距離約五千米。該系統(tǒng)充分總結(jié)國內(nèi)同行業(yè)的控制經(jīng)驗(yàn)，并吸收了國外當(dāng)前先進(jìn)的控制理念，積極運(yùn)用新技術(shù)，使系統(tǒng)達(dá)到當(dāng)前先進(jìn)水平。
1 工藝概況
輸煤系統(tǒng)設(shè)計(jì)有四條輸煤膠帶（具體見附圖1），小時(shí)生產(chǎn)能力為1200噸。集中控制系統(tǒng)基本控制任務(wù)對(duì)輸煤系統(tǒng)中101（一次破碎機(jī)），102（連接膠帶機(jī)），104（二次破碎機(jī)），201（轉(zhuǎn)載膠帶機(jī)，4500米），301（上倉膠帶機(jī)，455米），401（配倉膠帶機(jī)，105米）的實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制。通過安裝在中央控制室的上位計(jì)算機(jī)，在集中方式下控制各膠帶輸送機(jī)及破碎機(jī)，同時(shí)將現(xiàn)場膠帶輸送機(jī)，破碎機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)及料位計(jì)、皮帶秤參數(shù)實(shí)時(shí)顯示，以及對(duì)所控膠帶機(jī)實(shí)施保護(hù)。
附圖一輸煤生產(chǎn)集中控制系統(tǒng)總流程圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能
在本項(xiàng)目中，系統(tǒng)主站及從站控制單元均采用德國倍福（BECKHOFF）CX1000控制器。上位機(jī)采用德國倍福（BECKHOFF）C5102工業(yè)IPC。
德國倍福（BECKHOFF）是世界知名的自動(dòng)化公司，不斷倡導(dǎo)自動(dòng)化新技術(shù)。為自動(dòng)化應(yīng)用添加了不少高質(zhì)量新產(chǎn)品。其構(gòu)成的自動(dòng)化系統(tǒng)具有突出的性能及功能優(yōu)點(diǎn)：
（1） 產(chǎn)品種類齊全，從工業(yè)IPC，總線端子，到伺服驅(qū)動(dòng)。
（2） 產(chǎn)品支持協(xié)儀廣泛：光導(dǎo)總線（LightBus），Profibus，Interbus，Canopen，DeviceNet，ControlNet，SERCOS，Ethernet，EtherCAT，Modbus，F(xiàn)ipio，AS以及常用接口RS232/RS485等。因此可以廣泛的連接其他各類廠商的標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)化產(chǎn)品。如AB，MODICON，SIEMENS等廠家產(chǎn)品。
（3） 統(tǒng)一的軟件平臺(tái)TWINCAT，實(shí)現(xiàn)倍福（BECKHOFF）全系列產(chǎn)品的組態(tài)，編程。
（4） 特有的電力電量測量模塊KL3403，可對(duì)電力系統(tǒng)在線電壓，電流，有功功率，視在功率及功率因素測定。
（5） 德國倍福（BECKHOFF）CX1000控制器，采用了奔騰MMX處理器，運(yùn)行時(shí)鐘頻率達(dá)266MHZ。可以同時(shí)運(yùn)行四個(gè)PLC控制任務(wù)。為系統(tǒng)提供一個(gè)穩(wěn)定，可靠的控制程序運(yùn)行平臺(tái)。
根據(jù)輸煤生產(chǎn)系統(tǒng)工藝，全系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)主站，兩個(gè)從站系統(tǒng)。主站設(shè)置于中央控制室中，位于整個(gè)系統(tǒng)中部，1#從站設(shè)置于101（一次破碎機(jī)）與104（二次破碎機(jī)）之間，2#從站設(shè)置于301（上倉膠帶機(jī)）驅(qū)動(dòng)站處。
在系統(tǒng)主站中，采用德國倍福（BECKHOFF）CX1000控制器作為主控制器，主控制器通過光纖通訊完成系統(tǒng)主站與現(xiàn)場從站間的信息交換，通過超五類屏蔽雙絞線實(shí)現(xiàn)主站與上位機(jī)的通訊鏈路連接。
具體功能包括：
（1）、主站與1#從站控制器信息交換，實(shí)現(xiàn)采集并控制1#從站現(xiàn)場設(shè)備
（2）、主站與2#從站控制器信息交換，實(shí)現(xiàn)采集并控制2#從站現(xiàn)場設(shè)備
（3）、主站控制器與上位機(jī)間信息交換，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與各從站間的通訊連接，實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面與現(xiàn)場信號(hào)的交互
（4）、主控制室綜合控制任務(wù)（通過自己配置的輸入模塊，輸出模塊）
1#從站中，采用德國倍福（BECKHOFF）CX1000可編程控制器作為主控制器，通過光纖通訊完成系統(tǒng)主站與1#從站間的信息交換。同時(shí)采集并控制就地設(shè)備。1#從站具體控制功能如下：
（1）、通過串行通信模塊KL6021，按照MODBUS RTU協(xié)議與膠帶綜合保護(hù)儀ZB02進(jìn)行通訊連接，實(shí)現(xiàn)102（連接膠帶）保護(hù)功能（拉繩開關(guān)，跑偏開關(guān)，堵塞）
（2）、102（連接膠帶）上位機(jī)集中控制，包含集中信號(hào)，就地信號(hào)，運(yùn)行信號(hào)，緊急停止信號(hào)等采集，集中控制，就地控制，運(yùn)行命令及預(yù)告信號(hào)輸出。
（3）、101（一次破碎機(jī)），上位機(jī)集中控制，包含集中信號(hào)，就地信號(hào)，運(yùn)行信號(hào)，緊急停止信號(hào)等采集，運(yùn)行命令及預(yù)告信號(hào)輸出。
（4）、104（二次破碎機(jī)）上位機(jī)集中控制，包含集中信號(hào)，就地信號(hào)，運(yùn)行信號(hào)，緊急停止信號(hào)等采集，集中控制，就地控制，運(yùn)行命令及預(yù)告信號(hào)輸出。
（5）、通過配置KL3403電力測量模塊，實(shí)現(xiàn)102（連接膠帶），101（一次破碎機(jī)），104（二次破碎機(jī)），102（連接膠帶）處變電所進(jìn)線電源的電壓，電流，有功功率，累計(jì)電能及功率因素的檢測及在線監(jiān)控。
（6）、102（連接膠帶），101（一次破碎機(jī)），104（二次破碎機(jī)），除鐵器綜合控制任務(wù)及連鎖控制。
2#從站中，采用德國倍福（BECKHOFF）CX1000可編程控制器作為主控制器，通過光纖通訊完成系統(tǒng)主站與2#從站間的信息交換。同時(shí)采集并控制就地工藝設(shè)備。2#從站具體控制功能如下：
⑴、通過串行通信模塊KL6021，按照MODBUS RTU協(xié)議與膠帶綜合保護(hù)儀ZB02進(jìn)行通訊連接，實(shí)現(xiàn)201（轉(zhuǎn)載膠帶）保護(hù)功能（拉繩開關(guān)，跑偏開關(guān)，打滑，堵塞，撕裂）
⑵、通過串行通信模塊KL6021，按照MODBUS RTU協(xié)議與膠帶綜合保護(hù)儀ZB02進(jìn)行通訊連接，實(shí)現(xiàn)301（上倉膠帶）保護(hù)功能（拉繩開關(guān)，跑偏開關(guān)，打滑，堵塞，撕裂）
⑶、201（轉(zhuǎn)載膠帶）上位機(jī)集中控制，包含集中信號(hào)，就地信號(hào)，1#電機(jī)運(yùn)行信號(hào)，2#電機(jī)運(yùn)行信號(hào)，3#電機(jī)運(yùn)行信號(hào)，緊急停止信號(hào)，進(jìn)線斷路器工作信號(hào)，故障信號(hào)及準(zhǔn)備就緒信號(hào)等采集，集中控制，就地控制，運(yùn)行命令及預(yù)告信號(hào)輸出。
⑷、301（上倉膠帶）上位機(jī)集中控制，包含集中信號(hào)，就地信號(hào)，運(yùn)行信號(hào)，緊急停止信號(hào)，進(jìn)線斷路器工作信號(hào)，故障信號(hào)，松閘，合閘及準(zhǔn)備就緒信號(hào)等采集，集中控制，就地控制，運(yùn)行命令及預(yù)告信號(hào)輸出。
⑸、401（配倉膠帶）上位機(jī)集中控制，包含集中信號(hào)，就地信號(hào)，正轉(zhuǎn)運(yùn)行信號(hào)，反轉(zhuǎn)運(yùn)行信號(hào)，緊急停止信號(hào)等采集，集中控制，就地控制，正轉(zhuǎn)運(yùn)行命令，反轉(zhuǎn)運(yùn)行命令及預(yù)告信號(hào)輸出。
⑹、通過配置KL3403電力測量模塊，實(shí)現(xiàn)201（轉(zhuǎn)載膠帶）三個(gè)電機(jī)，301（上倉膠帶）一個(gè)電機(jī)，401（配倉膠帶）一臺(tái)電動(dòng)滾筒，201進(jìn)線電源，301進(jìn)線電源，401進(jìn)線電源的電壓，電流，有功功率，累計(jì)電能及功率因素的檢測及在線監(jiān)控。
⑺、通過配置KL3022模擬量測量模塊，實(shí)現(xiàn)一個(gè)皮帶秤信號(hào)（4~20mA），六個(gè)料位計(jì)信號(hào)（4~20mA）的檢測及在線監(jiān)控。
⑻、201（轉(zhuǎn)載膠帶），301（上倉膠帶），401（配倉膠帶）綜合控制任務(wù)及連鎖控制。
⑼、實(shí)現(xiàn)201（轉(zhuǎn)載膠帶機(jī)）的Rockwell DODGE CST（軟起動(dòng)裝置）數(shù)據(jù)傳輸及顯示。
現(xiàn)場做為從站主控制器的CX1000嵌入式PC在中央控制室配置兩臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC），一臺(tái)彩色噴墨打印機(jī)及控制臺(tái)。兩臺(tái)工控機(jī)配置WinCC人機(jī)界面應(yīng)用程序冗余。工控機(jī)采用兩套德國倍福（BECKHOFF）C5102 IPC（配置P4 2.4G，40G硬盤，DDR 256M內(nèi)存，17’LCD顯示器），通過超五類屏蔽雙絞線連接工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主站與上位機(jī)間的高速（10/100M），可靠的信息交換。
具體功能包括：
（1）、現(xiàn)場總工藝設(shè)備狀態(tài)參數(shù)顯示，及各獨(dú)立設(shè)備狀態(tài)參數(shù)顯示
（2）、102（連接膠帶）， 201（轉(zhuǎn)載膠帶），301（上倉膠帶），401（配倉膠帶）的控制狀態(tài)顯示以及集中控制，拉繩開關(guān)，跑偏開關(guān)，撕裂，打滑，堵塞的在線實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示
（3）、101（一次破碎機(jī)），104（二次破碎機(jī)），吸鐵器的控制狀態(tài)顯示以及集中控制
（4）、一個(gè)皮帶秤，料位計(jì)在線實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示
（5）、電機(jī)（101（一次破碎機(jī)），104（二次破碎機(jī)），201（連接膠帶機(jī)），301（上倉膠帶機(jī)），401（配倉膠帶機(jī)））的運(yùn)行電壓，電流，有功功率，累計(jì)電能及功率因素的檢測及在線監(jiān)控。
（6）、歷史數(shù)據(jù)曲線顯示，打印
（7）、數(shù)據(jù)報(bào)表顯示，打印
（8）、報(bào)警信息顯示
（9）、幫助信息顯示
在本項(xiàng)目中，為實(shí)現(xiàn)可靠，高速（10/100M）信息交換，在上位機(jī)與CX1000控制器之間經(jīng)過工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)。由于現(xiàn)場各分控站間距離較長，其中主控制站與1#從站間距離為3100米，主控制站與2#從站間距離為2450米。而且現(xiàn)場實(shí)際安裝有多臺(tái)6KV高壓電機(jī)，為徹底有效防止電磁干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，對(duì)現(xiàn)場控制及信息交換通過單模光纖以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。
1#從站CX1000控制器，2#從站CX1000控制器與主站CX1000控制器間是基于單模光纖以太網(wǎng)構(gòu)成RealTime Ethernet。控制器間信息交換，通過各CX1000控制器定義Publisher向指定設(shè)備或全局設(shè)備發(fā)布交換變量狀態(tài)值，Subscriber來接受交換變量狀態(tài)值。
3 結(jié)束語
中電霍煤集團(tuán)北礦地面輸煤集中控制系統(tǒng)已正式投入運(yùn)行，控制系統(tǒng)各項(xiàng)功能均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。控制系統(tǒng)中新技術(shù)的引入不僅提供了系統(tǒng)的可靠運(yùn)行更為企業(yè)生產(chǎn)和管理提供良好的平臺(tái)。
