西门子模块6ES7216-2BD23-0XB8销售

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1 引 言

采煤机是综采工作面的主要设备，它的正常运转决定着综采工作面的生产效率。采煤机的性能是否，一方面取决于机械部分的设计与制造，以及是否合理地使用，另一方面取决于电气控制系统是否完善有效。如果将采煤机比作人，机械部分就是人的四肢和躯干，电气部分就是人的大脑，所以，电气控制系统在采煤机中至关重要。目前国产采煤机的电气控制系统的控制器基本上都是各种的PLC，虽然由PLC控制的采煤机具有监测和故障诊断功能，基本能满足使用的要求。但由于采煤机工作环境恶劣，零部件多，结构复杂，致使采煤机司机不能及时掌控采煤机的各项运行参数，可能使采煤机带病工作，进而出现故障，为了提高采煤机的开机率，增加采煤机远程监测和故障诊断功能。还有，由于综采工作面矿工劳动强度太大，急需降低，建立自动化综采工作面，那么采煤机就具有记忆截割的功能。另外，由于采煤机电控箱空间的限制，如果采用现场总线，将在提高电气控制系统性地同时有利于安装和维修。要使采煤机具有远程监测和故障诊断与记忆截割的功能，并且使用现场总线，如果电气控制系统不作出革新，就很难满足需求。为了适应发展，西安煤械公司开发了以贝加莱工业自动化的PCC（Programmable Computer Controller）为控制器的新型电气控制系统。

2 采煤机电气控制系统设计

采煤机是多电动机联动、技术要求较高的机械设备。它工作在潮湿、多尘、震动、高瓦斯的矿井，并且工况环境复杂多变，以及自身重量很大，惯性大，还要求能够方便地操作、低故障率等，这就给采煤机电气控制系统的设计提出了很高的要求。采煤机的电气控制系统框图如图1所示。

图1 采煤机控制系统框图

（1）控制计算机（采用贝加莱的PCC）

控制计算机（由2003系列PCC的CPU模块和通讯块组成）是采煤机电气控制系统的，采煤机正常工作时，变频器的牵引方向、加减速控制、左右摇臂升降、制动抱闸的开断、左右截割电动机的温度监测、牵引变压器温度监测、牵引和截割电动机的电流采样，以及采煤机恒功率保护、过零保护、瓦斯断电保护、截割电动机过载保护等均通过控制计算机来实现。

控制计算机接收开关量输入模块和模拟量输入模块的数据，并通过开关量输出模块将指令传给电磁阀组，通过通讯接口将采煤机的参数传给显示计算机，通过通讯接口将指令传给主变频器。

（2）开关量输入输出模块

开关量输入模块主要接收端头站、遥控器和控制面板按钮发出的指令信号。开关量输出模块主要将控制器的指令传送给电磁阀组，以控制采煤机摇臂的升降、截割电动机的启停、制动抱闸的开断。

（3）模拟量输入模块

模拟量输入模块主要接收截割和破碎电动机的电流，牵引变压器、截割和破碎电动机的温度，摇臂的角度，瓦斯的浓度等模拟信号，然后送到控制计算机。

（4）显示计算机（采用贝加莱PP系列人机界面）

显示计算机提供丰富且人性化的人机界面，将以下数据信息形象地显示给用户。

·采煤机控制计算机的输入、输出状态
·截割电动机、牵引电动机的电流、温度
·牵引变压器的温度
·采煤机的牵引状态、牵引速度
·采煤机的工作状态及故障信息
·变频器的数据、工作状态及故障信息等

3 硬件系统设计

贝加莱的可编程计算机控制器（PCC）综合了传统PLC和工业PC两者的优势，如前者的高性、灵活的扩展性和环境适应能力，后者的多任务处理方式、高速运算能力、采用语言编程和开放的通讯等。PCC是目前工业领域的控制技术之一，具有分时多任务处理机制、高速的运算能力、大容量内存和存储单元以及强大的通讯组网能力。

PCC之所以能成为当今增长速度快的工业运动控制设备，是由于它具备了许多特的优点。它较好地解决了工业控制领域普遍关心的、、灵活、方便、经济等问题。PCC的主要特点如下：

（1）性高、抗干扰能力强

高性是PCC的特点之一，PCC的平均无故障时间（MTBF）可达几十万小时。由于工业生产过程经常昼夜连续，工业现场环境恶劣，各种电磁干扰特别严重。针对这些情况，PCC采取了一系列措施，其主要方法是对所有输入/输出（I/O）接口电路均采取光电隔离，有效地抑制了外部干扰源对PCC的影响。

（2）设计、安装容易、调试、维护简单

（3）模块品种丰富、通用性好、功能强大

（4）体积小、能耗低

（5）强大的Automation Studio软件开发平台

西安煤械有限公司开发的MG650/1630-WD采煤机电气控制系统，根据实际的控制要求，选用了贝加莱的下列自动化产品来构成系统：

（1） 控制计算机（即2003系列PCC）

如图2所示，控制计算机由7CP570.60-1和3IF722.9 组成。7CP570.60-1是2003系列的PCC，它的CPU是Celeron 300，64 MB DRAM，通讯接口有：USB、RS232、Ethernet。3IF722.9是通讯板卡，包含的通讯接口有：CAN、RS485、RS232。控制计算机通过RS485接口控制主变频器，通过Ethernet接口和采煤机上的显示计算机通讯，通过CAN接口和距离采煤机几百米外的显示计算机交换数据。

图2 控制系统实物示意图

（2）开关量输入输出模块

如图 2所示，开关量输入输出模块选用了两块7DM465.7，每块7DM465.7有16路输入和16路输出。

（3）模拟量输入模块

如图 2所示，模拟量输入模块根据需要选用了一块7AT324.70，三块7AI354.70 ，这四个模块都插在适配器模块7AF101.7上。每块7AT324.70有四路温度输入，每块7AI354.70有四路模拟量输入。

（4）显示计算机（即贝加莱的Power Panel系列人机界面）

如图2所示，由于需要在两个相距几百米的地方都要人机界面显示，故选用两个显示计算机 4PP320.1043-31和4PP420.1043-75，其中4PP420.1043-75还具有中继的功能。

三、控制系统通讯网络

GE PAC系统提供与各种DCS系统相互通讯的接口和相应的协议。本系统采用MODBUS RS485协议，通过IC698CRE020型冗余CPU模块与DCS系统控制器中的SI接口通讯来完成。从而组成整个工厂级的集中管理局部网，车间级实时控制网及操作员本地控制站的三级网络结构，满足了现代工厂控制管理的网络配置要求。

和控制室的通讯本系统采用IC698CRE020型冗余CPU模块的 TCP/IP以太网接口连接到100M自适应HUB上，与上位HMI监控站通讯，波特率为100Mbps。在网上运行 CIMPLICITY HMI软件，可对连接在网上的PLC或其他设备进行监控管理。同时为每台PLC（包括主备）和每台HMI操作站的物理IP地址，并同时为主备PLC冗余使用的IP地址;以上地址不能相同否则可能发生通讯系统的崩溃。

GE 的TCP/IP以太网，为标准的TCP/IP以太网，与所有满足TCP/IP以太网协议的设备兼容。TCP/IP以太网通讯采用分别与主备PLC通讯的方式。

四、热备冗余I/O系统

PAC系统的冗余部分是由两套 CPU控制器和冗余通讯模块（RCM）组成，主控制器通过冗余通讯模块（RCM）与其备用控制器和I/O系统的通讯实现其热备冗余功能，一但主PLC控制器或通讯出现故障，所有控制功能将平稳地切换至备用控制器以确保工艺装置正常运行。系统同时具有参数同步化、I/O总线冗余和系统诊断功能。

I/O系统是GE Fanuc公司的VersaMax I/O模块。同时系统是双Genius总线结构;总线可以支持29个I/O结点，可满足不同用户的各种需求。

GBC模块：IC697BEM731

Genius总线控制器模块（IC697BEM731）为RX7I 提供Genius I/O总线的接口。Genius总线控制器同步的扫描Genius设备并与CPU交换I/O数据;GBC 可以在Genius总线上发送或接收128个字节的带控制数据包，同Genius总线上多达32个设备进行数据交换。Genius 的输出由的单元决定的，单元的Genius总线控制器的总线地址是31，二单元的Genius总线控制器的总线地址是30。

Genius总线通讯接口单元（NIU）

Genius网络接口单元IC200GBI001用于将VersaMax I/O模块与Genius总线连接起来，它与其它VersaMax I/O模块共同构成一子站。每个总线扫描周期，NIU可以处理128个字节的输入数据和128个字节的输出数据，在模块上可硬件设置子站地址和通讯波特率。系统的主站可以是PLC或者支持Genius网的工业控制计算机。用于冗余总线和冗余CPU系统。

由VersaMax I/O构成的节点包括GE Fanuc PLC以及软件提供的固定逻辑子程序，从而完成节点之间的通讯和总线切换功能。GE Fanuc对该系统的软硬件进行了认真的优化组合。因此，PAC系统是一个性能价格比非常好的冗余热备系统。

系统提供了多种在线诊断并向操作员报告诊断结果。例如：PLC，通讯总线以及I/O节点状态等。

五、结束语

系统自2007年10月投运后反应良好，界面直观方便，适应操作人员的习惯，满足了生产装置的需要，设计调试的时间很短，现场接线得到大大简化，性得到大大提高，维护也很方便。乙烯装置的PLC和DCS系统之间实现了通讯，实现了管控一体化，系统经过一年多的运行，控制系统稳定。

、 PLC监控系统的配置

监控系统由三台HMI操作站和三套冗余的RX7I PLC主站和多套VersaMax I/O模块构成的子站组成。HMI操作站与PLC分站之间，通过TCP/IP以太网进行通讯。HMI操作站设在控制室，配置100M以太网卡，操作系统为WINDIWS XP ，安装CIMPLICITY HMI软件。

控制系统完成的功能包括：压缩机的防喘振控制，汽轮机的调速控制（压缩机的驱动机使用汽轮机），机组性能控制，润滑油站控制，分液罐液面控制，轴承温度，轴振动和轴位移监控，主机和辅机工艺参数监控，机组起动-运行-停止顺序控制等在PLC内编程完成。系统软件根据压缩机出入口压力或出入口流量来调整汽轮机的转速，同时在防喘振控制与性能控制，调速控制之间进行解耦控制。

系统所采用的RX7I 是GE PAC系列可编程序控制器家族中的一员，GE PAC 的CPU具有强大的功能，如内装PID，结构化编程，中断控制，间接寻址及各种功能模块，能完成复杂的控制。另外系列有功能很强的特殊模块可供选择，包括轴定位模块，高速计数模块，BASIC和C语言协处理模块及Genius通讯模块等。

GE 提供了ME软件来实现对PAC系列产品PLC的编程和组态。外围编程工具通过标准的RS-232或RS-485/RS-422串行接口与PLC相连，也可通过TCP/IP以太网卡对连接在以太网上的PLC进行编程和组态。

GE CIMPLICITY HMI软件是基于MICSOFT bbbbbbS XP环境的功能强大的人机界面软件。不论是对离散的还是连续的生产过程，都能够很容易地创建操作员接口、数据采集、监视与控制应用。CIMPLICITY HMI是一个基于客户服务器的结构的软件，它包括服务器和浏览站CIMPLICITY HMI在使用时，又划分为开发系统和运行系统，CIMPLICITY HMI根据目标对象的不同，按控制点数又划分为50-不能联网，75，150，300，700，35000和无限I/O点的服务器，本系统选700点I/O。CIMPLICITY HMI提供了强大的功能。其主要功能特点是：CimView和CimEdit；报警浏览器；点控制面板；基本控制机制；数据库登录；DDE接口；历史数据分析器；服务器冗余；WebView。

在系统配置中，除本身的机架I/O模块外，还可通过Genius LAN连接VersaMax I/O，Field Control I/O以及Genius I/O模块等，我们的方案即是采用PAC PLC通过Genius LAN连接VersaMax I/O构成一个功能强、价格合理的分散控制、集中管理的控制系统平台，来满足大规模，复杂的，高速的控制。

CPU模块IC698CRE020系统选用IC698CRE020型冗余CPU模块。IC698CRE020是一款的CPU，可构成热备冗余结构，有10M供电存储的RAM和10M闪存，可运行较大的程序。支持浮点运算功能、SOE功能、C语言编程功能和以太网全局数据功能。

模块可以由三位的启动/停止按钮控制或者由远程连接的编程器和编程软件控制;在CPU模块上有状态指示灯指示以太网界面的状态。

IC698CRE020有两个配置的端口：COM1（RS-232）和COM2（RS-485）；两个嵌入的10 BASE T/100 BASE TX以太网端口和一个站管理端口（RS-232）。

在运行过程中两个PLC始终保持着设备状态控制数据以及各种的同步传输，从而，确保两个CPU同步运行并可以在两个CPU中执行相同程序，获得相同的结果。一旦主系统检测到故障，所有控制将被自动无扰动切换到备用系统，在系统切换过程中，不影响所控制的生产装置的正常运行。主PLC与热备PLC的是在每一扫描周期进行两次，同时对CPU之间传输数据并进行完整性检查。两个CPU的整个扫描过程是同步化进行的，以保持主CPU和备用CPU同步工作，从而实现无扰动切换。

电源模块

系统采用型号为IC697PWR711的电源模块。坚固的结构设计可使其在满负荷的情况下能渡过一个周期的掉电。同时电源内部还具有过压和过流保护功能及承接供电网的电压变化。

DI模块：IC200MDL650

IC200MDL650是32点输入模块，240VAC隔离输入，输入模块为每一个点均设置了指示灯以显示其状态。

DO模块：IC200MDL750

IC200MDL750模块提供16点开关量输出，0-265VA或0-125VDC、每点2.0A继电器输出，模块为每一个点均设置了指示灯以显示其状态。

AI模块：IC200ALG260

模拟量输入模块IC200ALG260提供一个8路电流或电压输入接口。模块用电由底板供给，无外部电源要求。模块有12-16位分辨率，并通过PLC直接存取，在CPU内，模拟量有自身的存储器，并且每扫描一次，数据自动刷新。模块的智能处理过程由CPU或NIU完成。模块供给8个字的模拟量输入数据。

目前国内四电机粗纱机多采用工控机和PLC或单板机相结合作为主控系统，由上位工控机完成运算功能，PLC或单板机完成控制驱动。但由于工控机抗干扰能力不强，常常造成系统稳定性较差，而单板机的故障率又相对较高，使得粗纱机的综合性能不尽人意，成本也相对较高。

二纺机EJK211型粗纱机采用PCC的分布式模块化控制结构及贝加莱Automation Studio系统，集分析运算和控制驱动于一体，调速系统采用贝加莱ACOPOS系列伺服驱动器，通过CAN open总线控制方式，提高系统的综合控制性能，降低故障率，实现EJK211型粗纱机控制系统的方案，并具有张力检测与自动控制、自动落纱等功能，锭翼速度可达1800r/min。另外，通过软件优化性设计，实现了整机总功率小化，整机功率为22kW。

一、控制方案

主控制系统由贝加莱Power Panel(PP41)组成，完成粗纱机的各项电气控制功能和数据运算，通过人机界面进行基本的工艺参数设定，如车速、支数、加捻度、径向卷绕密度、轴向卷绕密度、卷绕系数、纺纱系数等，参数可随时修改、调用和存储。所有的参数对应了一组参数也对应于一种纱纺制，多可有30种配方。故障报警显示、开车情况及效率显示、数据查询、粗纱机的调试及维护等任务也均通过PP41完成。其主要参数性能如下：

显示界面为6inch、QVGA240×320像素、黑白显示；共计40个键，其中16个键的标识可按用户要求换并带有LED指示；1.5MB内存实时时钟；2MB的存储卡，可保存、调用必要参数；系统自带RS-232及CAN bus接口；系统自带10DI、9DO。

二、配置方案

（1）主控制系统采用PP41系统，驱动系统采用ACOPOS多功能驱动器，CAN bus（500k传输速率）总线控制方式；

（2）应用电子齿轮、虚拟轴等功能，实现虚拟主轴对等同步、驱动锭翼、筒管、罗拉、龙筋四电机同步运行；

（3）通过CAN bus，在ACOPOS1（锭翼）建立虚拟主轴，快每400μs向网上实轴发送（级）位置指令，并由各ACOPOS驱动器完成同步实时控制。实际证明，循环周期为2ms时，已能满足粗纱机的动态同步精度。

系统配置如下图。