西门子模块6ES7214-2BD23-0XB8技据

西门子模块6ES7214-2BD23-0XB8技据

1 引 言

20世纪90年代以来，随着工业自动化的飞速发展，人们对生产设备的性也提出了越来越高的要求。仅仅通过提高控制系统的硬件性来满足特殊工业部门对性的要求是不太可能的。为此，工业制造商们提出了多种解决方案，这其中包括基于网络控制的PLC冗余热备系统。目前，此系统多采用两套CPU处理器模块，一个处理器模块作为主处理器，另外一个作为从处理器。正常情况下，由主处理器执行程序，控制I/O设备，从处理器不断监测主处理器状态。如果主处理器出现故障，从处理器立即接管对I/O的控制，继续执行程序，从而实现对系统的冗余热备控制。实践证明，冗余热备系统能够保证系统的连续运行，有效的避免了由于控制系统出现故障而引起的停产或设备损坏造成大的经济损失。

目前，PLC冗余热备系统多分为两种：冗余由硬件实现的硬件冗余热备以及冗余由软件实现的软件冗余热备。本文以Rockwell公司的ControlLogix为例，介绍了PLC冗余热备系统的工作原理，基于ControlNet网络，利用软件开发了CPU冗余热备系统，并结合对风力负载被控模型的控制实验，对其性能进行了测试和分析。

2 PLC冗余热备系统的工作原理

PLC在一个工作周期内的任务主要有：系统内务处理、扫描输入映像表、执行程序、刷新输出映像表。在ControlLogix冗余热备系统中，当主处理器执行完程序之后，会将所有输出指令的传送给从处理器。同时，由于ControlLogix系统所有的I/O设备都在ControlNet网络中，由ControlNet网络 的“生产者/消费者”通讯模式，从处理器作为一个“消费者”可以与主处理器具有一样的地位，I/O的输入信息。这样，就确保了主、从处理器内输入、输出映像表的一致。

3 CPU冗余热备系统的设计

3.1系统硬件设计

本文设计的基于ControlNet网络的ControlLogix处理器冗余热备系统，主要由连接到ControlNet上的ControlLogix处理器1、ControlLogix处理器2、通过1203-CN1连接的PowerFlex70以及检验冗余效果的风动模型等组成，系统的硬件平台如图3所示。

3.2系统软件设计

在上述硬件平台的基础上，需要对系统进行软件设计。其中包括ControlNet网络的组态及优化、PowerFlex70变频器参数设计以及对主从处理器的编程。这里主要讲述系统中主从处理器的编程问题。

由PLC冗余热备系统的工作原理可知，通过对主从处理器的软件编程需要实现：

⑴ 主、从处理器器通过ControlNet网络各节点模块的输入信息，主处理器通过ControlNet发送控制信息到具有输出功能的PowerFlex70变频器。

⑵ 由主处理器通过生产者/消费者模式将控制数据发送给备用控制器，以实现主备控制器数据同步。

⑶ 从处理器在主处理器处于硬件故障、主要错误或编程状态时，获得在ControlNet网络上发送控制信息到PowerFlex70的权力，同时主控制器失去在ControlNet网络上发送控制信息到PowerFlex70变频器的权力。

因此，基于ControlNet网络的ControlLogix处理器冗余热备系统中的RSLogix5000工程要完成的任务包括：对主处理器按控制系统的设计及要求进行通道设置、标签的建立及梯形图的编写，梯形图中包括用于过程控制，用于系统联锁保护和用于系统CPU热备的梯形图等几大部分。其中，用于CPU冗余备份程序的流程图如图4所示。

图4 冗余热备系统的冗余程序流程图

当主处理器进入非正常工作状态时，整个系统的输出模块的控制权交给了从处理器，由于输出模块在切换中无论是模拟量还是开关量都保持不变。所以，从处理器在主处理器工作时，处理器内部储存的输出模块的值就实时地与主处理器中的相应的输出值保持一致，实现无扰切换。而完成这项功能，就要求我们在两个ControlLogix处理器中，用梯形图程序来实时进行出模块值的传递，当主处理器对输出有改变时，同时把相应的变化值传递给从处理器。这样在切换时才会对连续的生产不产生任何的影响。

4结束语

本文设计了基于ControlNet网络控制的ControlLogix冗余热备系统。系统通过切换控制权来切换对网络上的变频器PowerFlex70的控制；通过风力负载模型的浮球位置的变化，来直观的反映切换效果。此CPU冗余热备系统的切换时间小于0.5秒，切换过程中的扰动小于5％。设计方案可应用于基于不同网络控制的可编程控制器系统。在工业控制中应用该方案，不仅可以降低系统硬件成本，而且可以有效地提高控制系统的性，降低由于控制器故障带来的损失和危害。

1引言

山西怀仁联顺玺达能源公司柴沟煤矿下属北京鲁能煤业公司，坐落在煤炭资源丰富的山西省朔州市。根据国家建设十三个煤炭基地的总体规划,“关小建大资源整合”的产业政策,鼓励煤炭企业关小建大，通过资源整合，实现产量集中，提高回采率，减少资源浪费，确保生产，维护地方利益等政策，整合三个小煤矿构建成一个现代化大型煤矿—柴沟煤矿。该矿井建设规模为年产600万吨，2006年底开始基础建设，2007年5月投产。该煤矿综合自动化学习了神华集团神东公司的模式，结合自身实际地理环境，以罗克韦尔自动化技术为基础，完成整个矿井和洗煤厂的控制及其监控系统的集成。

煤炭行业是具有强烈行业特征的特殊产业，其特点是：煤炭是非再生性一次能源，煤炭企业的寿命决定于矿井范围内的埋藏量和开采强度；开采与洗选是多种技术相结合、多工种相配合的复杂系统工程，任何环节的失常都可能造成停产，甚至引发严重灾害事故；采掘作业是在限条件下进行的，存在危及人员的自然灾害和影响身心健康的恶劣环境，始终是制约煤矿生产的瓶颈。

矿井生产包括开采、掘进、运输、通风、、排水、供电、洗选等多个环节。在这些环节中，各种监测、监控系统繁多复杂。根据矿井的特殊性华光信息技术公司已经在神华矿井成功的实现矿井综合自动化系统。煤炭行业实施综合自动化的关键是将工业自动化控制技术与煤炭行业的特征及实际相结合，开发具有显著行业特色的现代集成生产系统。随着工控行业的发展，市场不再是一种的，煤矿企业要求使用的产品多样化，多种的产品通过工业以太网以及协议的转化都能够在同一个系统配合使用，共同组成自动化控制系统。

2工艺系统简介

2.1矿井工艺系统

柴沟矿井开采的主运输流程：综采工作面或掘进→顺槽胶带机→大巷胶带机→主井胶带机→原煤上仓胶带机→原煤仓。

全矿井配备一套综采设备，美国JOY公司的采煤机、德国DBT公司液压支架和输送机。顺槽胶带机由北京华宁开关柜控制，大巷胶带机、主井胶带机和上仓胶带机都选用变频控制。风井为立井，采用对旋风机抽出式通风。井下主供电和排水在变电所及水泵房系统。整个矿井的调度集中控制由调度监控网络完成。

2.2洗煤厂工艺系统

柴沟煤矿洗煤厂的建设规模为6.0Mt/a，主要工艺部分组成：原煤准备系统（包括原煤仓下给煤机和原煤入洗胶带机等）、主洗系统（包括筛分—重介浮选联合流程）、块煤脱水、末煤脱水（浓缩及压滤系统）、产品装车系统。

整个洗煤厂的电控系统很简单，分为两部分：原煤仓下、主厂房、浓缩车间、矸石仓等用电设备及其相关带式输送机的配电控制为主厂房电控系统；产品煤带式输送机及产品仓用电设备的配电控制为产品仓电控系统。

2.3自动化控制系统

根据监控分站的位置分散、距离远的特点，控制网络按生产关系和物理位置构成的逻辑多链路网络结构，将柴沟矿所有监控点通过多链路连接为一个统一的控制网络，并接入矿、厂、站调度（）室，形成煤矿生产综合自动化系统。

选用ControlNet作为控制层网络，主干采用光纤传导模式，由调度通过62.5/125μm光缆连接控制分站或控制系统，构成整个控制层网络，其余如皮带监控系统用软件编程实现三方通讯就近接入网络。

调度（）室是全矿生产的监控指挥，所有的控制信息在这里汇总并由此发布。根据控制网结构，设置2台监控主机，互为热备，分别经控制网连接ControlNet与EtherNet网关中的ControlNet接口模块，而EtherNet接口模块接入矿局域网交换机，两种接口模块间经由ControlLogix网关背板直接通讯，完成ControlNet和EtherNet的互联互通。

软件平台采用RSView32，通过SA Server实时采集各系统的数据，即可在调度室实现操作控制；数据上传矿信息网后，可实现在办公终端监视生产过程，供决策部门和管理部门掌握生产新动态。

3生产系统配电及控制

3.1矿井生产系统

矿井生产系统配电控制的范围从井下大巷胶带机开始经过主斜井胶带机至原煤仓刮板机为止。根据生产系统用电负荷要求，在主井皮带驱动机房设一座《地面井口变电所》，在大巷皮带机头附近设一座《变电所及水泵房》。

(1)胶带机运输系统

原煤主井皮带采用德国西门子公司生产的变频调速系统，配置如下：

·胶带机基本参数(见表1)

表1 胶带机基本参数

·变频器基本参数(见表2)

表2 变频器基本参数

·PLC控制设备组成

主井皮带监控系统选用AB ControlLogix系列可编程序控制器及ControlLogix I/O系统，通过SST-PFB-CLX模块与变频器建立Profibus通讯，完成变频器数据采集和控制功能。

(2)主井皮带变频器控制系统原理图

主井皮带变频器控制系统原理图如图1所示。

图1 变频器控制系统原理图

主斜井皮带机保护，选用ZBK-Ⅱ型皮带保护系统，配有打滑、拉绳、跑偏、纵撕、堆煤等传感器，并配有扩音电话，实现予警与通话功能，该系统以RS-485通讯口与主井口PLC链接，完成ZBK-Ⅱ与工控网的通讯。

上原煤仓皮带保护也设有拉绳、跑偏、纵撕、堆煤、速度等保护，因该皮带较短，为节省投资各种传感器均接入PLC输入模块，实现皮带机的保护功能。

原煤上仓皮带变频系统选用ABB变频器系统，通过DeviceNet网络，与设在井口配电室的PLC主控机进行通讯，

3.2大巷胶带机变频控制系统

大巷胶带机变频控制系统主要部件组成如下：

(1)745kW 水冷变频器，包括12脉冲整流单元和各自立的逆变单元;

(2)两台500kW防爆驱动电机通过减速箱和高、低速联轴节与主驱动滚筒相连;

(3)胶带机变频启动柜内安装有胶带机调速用的变频器和PLC控制系统;

(4)胶带机变频控制系统是通过一套水和空气的交换系统实现冷却降温。

大巷变频控制系统的PLC采用Rockwell公司生产的SLC，通过DH+线与附件的变电所的ControlLogix系统相连，实现网络的互联和数据共享。

顺槽胶带机系统也通过标准Modbus协议接入变电所的ControlLogix系统。

胶带机控制系统经过Control Net工控网，完成在矿调度室对几条皮带的自动控制。

3.3井下排水泵房及变电所三遥系统

由于井下水泵房与变电所是联合建筑，其配电设备也是一个整体，因此按一套三遥系统进行设计。

为了实现三遥功能，在矿调度室对排水泵进行遥控、遥测、遥信，由一套以ControlLogix PLC组成自控系统，外设负压、压力、液位等传感器监测水量参数，通过4-20mA模拟量信号接入PLC。

(1)高压配电系统

所内共有KYGC-Z型高压柜29台，其中，进线两回、PT两回、联络一回、负荷24回。

为实现变电所三遥控制，在每台高压柜加装一套FLEX远程I/O模块，通过DeviceNet网与设在所内的PLC联网，经ControlNet工控网与设在调度室主控机链接，实现在调度室对高压柜的分合闸及检测分合闸与储能状态；微机保护系统，通过该系统通讯机Modbus口与PLC联网，实现在调度室监测各高压柜电气参数（如电压、电流、有功功率、电度、cos φ等）及其状态参数（如短路、过流、漏电、失压等）。

(2)自动控制原理

·被控设备：3个高压柜、3个低压柜、1台射流泵、6个电磁阀、3个排水泵、3个电动阀及水泵和电磁阀的就地按钮。

·闭锁关系：射流泵闭锁排水泵（真空度达到后才能起排水泵），排水泵闭锁电动阀（但是电动阀若有故障也得停泵），停止排水时要先关电动阀再关排水泵。

·工艺流程及控制逻辑。

(3)主流程

自动启动水泵的流程：开启电磁阀→开起射流泵→检测真空度→真空度到位，关电磁阀，关射流泵同时开启主排水泵→检测正压力→开电动阀

辅流程及停泵流程：关闭电动阀门→关闭水泵

·判断水位→达到高水位起泵排水（起动过程同主流程）。

·遇到故障或要停止排水都要先关阀门再关泵（如果遇到阀门故障则直接停泵）。

·水泵操作先分为就地和程控（就地就是现场按钮控制），程控又分Panelview和远控（Panelview是指plc上面的Panelview按钮控制），远控为调度室上位操作。

·P.V操作和上位操作是一样的。

3.4 通风机三遥系统

(1)被控设备

·两台对旋式通风机；

·两台风门绞车。

(2)矿井通风机三遥系统要完成以下自动控制功能

·主扇正常状态下的开、停控制；

·主扇定期轮换控制；

·矿井发生事故需返风时的倒转返风控制；

·风门绞车控制。

以上控制内容均具有遥控与就地控制两种方式。

(3)主扇监控系统需检测的参数

·主电机电器参数：电压、电流、有功、电量、功率因数；

·主扇温度参数：主电机定子及轴承温度、通风机轴温；

·通风机及风门运行状态参数；

·通风机的负压、风量及进口风速。

(4)主扇监控系统与工控网联，实现在矿调度监控

(5)矿井通风机三遥系统配置

通风机房共有15台高压柜，按照智能柜的要求加装PM3000和FLEXI/O模块。

为了实现通风机三遥，在矿调度室对通风机进行遥控、遥测、遥信，由一套以ControlLogix PLC组成自控系统，外设整套负压、风量及进口风速监测装置，通过4-20mA模拟量信号接入PLC。

矿井生产系统，设三套PLC控制主机，完成井下顺槽、大巷胶带机、主井胶带机、上仓胶带机、配仓刮板，电动闸板等自动控制，PLC选用统一ControlLogix机型，根据功能与自动控制要求，配有各种功能模块。

4网络架构采用罗克韦尔自动化网络架构

信息层(Ethernet/IP工业以太网)、控制层(ControINet)和设备层(DeviceNet)。 ControlNet是一种高速的自动化网络，可以提供5Mbps的能力，实时性强，它也因其高度的确定性和可重复性，适用于对控制要求高的复杂环境。它采用并行时间域多路存取( CTDMA)加隐性令牌技术来控制节点对总线的访问，采用通用工业协议CIP保证它的上层协议通信。ControINet技术采取了一种新的生产者/客户通信模式，不仅支持传统的点对点通讯，而且允许同时向多个设备传递信息，从而提高了带宽利用率。ControlNet使用同轴电缆时距离可达5km，节点数99个，两个节点间距离长达1000m，采用光纤和中继器后通讯距离可达几十公里。

4.1洗煤厂生产系统

洗煤厂自动化控制系统的任务是完成各生产设备的控制及闭锁、洗选工艺自动调节以及信息上传和共享，是矿井生产自动化和信息化的重要部分。柴沟洗煤厂自动化控制系统按照、实用、、、开放指导思想进行设计，吸收以往洗煤厂成功的经验，选用的技术和设备来保证整个系统正常地运行。

洗煤厂参加集中控制的设备为：从原煤仓下给煤机开始至主厂房以及矸石仓、产品仓为止的全部生产系统的工艺流程设备。

柴沟洗煤厂设置两个监控分站，分别位于主厂房和产品仓低压配电室，控制网络主干采用光纤传导模式，将各监控点通过多链路连接为一个统一的控制网络，并接入洗煤厂室，形成一套生产自动化系统。皮带监控系统用软件编程实现三方通讯就近接入网络，实现网络扩展。

4.2系统主要功能

(1)控制方式分为两种：有闭锁的集中程序控制方式和无闭锁的就地控制。其中集中程序控制方式用于正常生产，就地控制用于维修和调试运行。

(2)按逆煤流分时序逐台程序起车，按顺煤流每台卸料完毕程序停车。

(3)设置起车预告信号，警示现场工作人员以免发生事故。

(4)设置禁止起动信号，一旦有紧急情况发生，现场和控制室人员均可解除设备的起动。

(5)在设备起车和运行过程中，如果某台设备因故障停车造成某台设备及其受闭锁的设备停车时，在事故解除后，经起车预告后，则由故障设备开始，按逆煤流方向依原程序继续起车，如故障较大，可转入停车或急停。

(6)在停车过程中，如遇到某台设备故障，则该设备和受其闭锁的设备立即停车，不受该闭锁控制的设备则仍按程序停车。

(7)在任何控制方式中，机旁停车控制按钮均可做到紧急停车。

(8)操作方式：通过人机对话的方式进行操作，控制室的操作人员通过上位机的键盘或鼠标来表达生产调度的意图和命令，去指挥PLC来完成系统的选择和操作。如起、停车命令等。

(9)屏幕显示功能：利用上位机的显示器模拟系统的工艺流程。显示系统中每台设备的工作状态及运行参数。通过对主要生产过程参数进行实时的在线检测，以趋势图的方式显示出来，使调度指挥人员随时掌握现场设备的工作状态及系统各类相关参数的变化情况。

(10)故障报警及打印功能：应用上位机组态软件开发本系统的上位机监控、管理及故障报警功能软件。该报警软件可显示现场设备的各种保护、料位、液位、设备故障等状态。并可即时的打印出报警报表。对各工艺参数可进行制表、打印，实现科学的生产管理。

(11)加压过滤机自动控制应用DH+网接入系统，其上位软件使用Rsview32，便于远程维护及系统整合。

(12)絮凝系统通过DeviceNet网络接入控制主机，实现絮凝剂制配添加功能。

4.3柴沟洗煤厂PLC网络配置图

图2为柴沟洗煤厂PLC网络配置图。

图2 柴沟洗煤厂PLC网络配置图

4.4柴沟矿井综合自动化系统网络结构图

图3为柴沟矿井综合自动化系统网络结构图

图3 柴沟矿井综合自动化系统网络结构图

5结束语

在建设矿井方案讨论中，我们讨论过两种方案：一种是现在实际实施的工业控制网ControlNet+以太网方案；另一种是全以太网方案。两种方案比较各有优缺点：种方案：多年沿用的工业控制网络，性和实时性得到保证，缺点在于性和较低的速率；二种方案缺点在于（1）病毒容易侵入网络，造成网络瘫痪，性不高；（2）添加中继设备投资太高。随着网络技术的发展，性的提高和价格的降低，二种方案将成为今后的发展趋势。

矿井的皮带电机、风机、泵类等设备是矿井及洗煤厂的关键设备，设备的供电电压从660V到10KV，耗电量达到企业电力消耗的1/3以上，一方面，这些设备在设计时，通常是留有一定余量；另一方面，由于工况的变化，泵类需要不同的流量，皮带设备也会空行，或者少量货载运行，风机的风量也是变化的，通过变频控制电机，可以节省大量的能源，改善设备性能，使他们符合生产工艺。

成功的应用罗克韦尔自动化的集成架构及其三层网络技术、罗克韦尔自动化产品，实现了柴沟煤矿综合自动化系统，也是西安华光信息技术有限公司在神华集团神东公司矿井自动化系统应用后的又一个成功的应用，一个个、高产、的自动化矿井也将推动我国煤炭行业上一个台阶，必将坚定我们对的罗克韦尔自动化产品的信任。