在洗煤廠中出現(xiàn)了傳統(tǒng)控制箱線(xiàn)路成本高，機(jī)械按鈕磨損，控制線(xiàn)路故障多，控制面板元件功能單一等弊端，設(shè)計(jì)制作了終端智能控制箱，讓現(xiàn)場(chǎng)操作人員可通過(guò)平板電腦實(shí)現(xiàn)與PLC、傳感器及智能設(shè)備的一些數(shù)據(jù)交互，從而取代了傳統(tǒng)控制箱與電氣設(shè)備硬接線(xiàn)連接的控制形式。終端智能控制箱可完成生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中數(shù)據(jù)在生產(chǎn)崗點(diǎn)的集中顯示，可滿(mǎn)足復(fù)雜多樣的生產(chǎn)控制要求，便于實(shí)現(xiàn)全廠信息化的共享。

　　關(guān)鍵詞：智能控制箱,傳統(tǒng)控制箱,設(shè)備控制,選煤廠信息化

　　傳統(tǒng)控制箱借助電子式儀表、機(jī)械儀表、指示燈進(jìn)行測(cè)量顯示，機(jī)械按鈕進(jìn)行操控。這種傳統(tǒng)控制模式已經(jīng)不能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)更為復(fù)雜多樣的生產(chǎn)工藝及當(dāng)前技術(shù)要求。隨著選煤廠自動(dòng)化水平的提高，目前大部分選煤廠已通過(guò)一系列技術(shù)革新，完成了生產(chǎn)集控系統(tǒng)的構(gòu)建，設(shè)備控制可在集中、就地、檢修三種操作方式下切換，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)系統(tǒng)逆煤流開(kāi)車(chē)、順煤流停車(chē)。但仍有不少選煤廠還在采用傳統(tǒng)控制箱進(jìn)行操控。智能控制終端和可編程邏輯控制器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通訊的方式結(jié)合了現(xiàn)有的PLC控制技術(shù)、TCP/IP通訊技術(shù)和工業(yè)平板電腦技術(shù)，主要用于工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備就地控制及相關(guān)運(yùn)行參數(shù)的檢測(cè)顯示，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械按鈕式就地控制箱和操作臺(tái)，能滿(mǎn)足復(fù)雜的控制要求，易于實(shí)現(xiàn)全廠信息化的實(shí)時(shí)共享。

　　1傳統(tǒng)型控制箱的主要問(wèn)題

　　近年來(lái)，因受入選原煤煤質(zhì)普遍變差的影響，選煤廠工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)趨于復(fù)雜，設(shè)備選型趨于多樣化，參與控制的變量也越來(lái)越多，因而對(duì)生產(chǎn)自動(dòng)化程度要求越來(lái)越高，使以前普遍應(yīng)用的就地監(jiān)控傳統(tǒng)型控制箱和操作臺(tái)越來(lái)越不能滿(mǎn)足生產(chǎn)需要。主要存在以下問(wèn)題：

　　(1)在控制系統(tǒng)中的作用日趨狹窄，僅作為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備非正常狀態(tài)下(如檢修調(diào)試)的一種后備控制方式。

　　(2)傳統(tǒng)控制模式采用硬接線(xiàn)方式完成控制信號(hào)的傳遞，借助電子式儀表、機(jī)械儀表、指示燈進(jìn)行測(cè)量顯示，機(jī)械按鈕進(jìn)行操控，已經(jīng)不能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)更為復(fù)雜多樣的生產(chǎn)工藝要求，越來(lái)越無(wú)法跟上現(xiàn)今自動(dòng)化控制高速發(fā)展的節(jié)奏。

　　(3)隨著控制功能的不斷增加，傳統(tǒng)控制箱每個(gè)回路都需要大量的控制線(xiàn)路敷設(shè)來(lái)完成較為復(fù)雜的控制要求，因此橋架、控制電纜及人工等敷設(shè)成本較高。

　　(4)機(jī)械按鈕存在機(jī)械磨損，控制線(xiàn)路轉(zhuǎn)接點(diǎn)多，不僅故障率高，且故障的排除工作需要有經(jīng)驗(yàn)的維修人員來(lái)完成，因此控制系統(tǒng)不穩(wěn)定，維護(hù)維修強(qiáng)度較高。(5)指示燈、電子式儀表等面板元件顯示功能單一，需要安裝空間，易造成控制箱箱體尺寸增大和數(shù)量增多。

　　2終端智能控制箱的設(shè)計(jì)思路

　　針對(duì)傳統(tǒng)控制箱在生產(chǎn)過(guò)程中存在的局限性，可將現(xiàn)有的PLC控制技術(shù)、TCP/IP通訊技術(shù)及工業(yè)平板電腦技術(shù)相結(jié)合，來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械按鈕式就地控制箱和操作臺(tái)，用于工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備就地控制及相關(guān)運(yùn)行參數(shù)的檢測(cè)顯示，通過(guò)智能型控制終端與PLC[2]、傳感器及現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備之間的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互方式，來(lái)取代傳統(tǒng)控制箱與配電柜硬接線(xiàn)連接的控制方式，同時(shí)使用智能終端實(shí)現(xiàn)全廠信息化的實(shí)時(shí)共享，完成生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中數(shù)據(jù)在生產(chǎn)崗點(diǎn)的集中顯示，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜多樣的生產(chǎn)控制要求。設(shè)計(jì)思路如下:

　　(1)要實(shí)現(xiàn)智能化[3]終端取代傳統(tǒng)控制箱，完成設(shè)備的控制以及信息化的共享，必須依靠一個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)，那就是全廠網(wǎng)絡(luò)的建立，實(shí)現(xiàn)全廠內(nèi)的信息共享。通過(guò)建立相互獨(dú)立、安全接口的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)智能終端控制模式的基礎(chǔ)建設(shè)。

　　(2)智能控制終端是設(shè)計(jì)的核心，平板電腦的配置高低、性能的好壞直接影響智能控制箱在生產(chǎn)過(guò)程控制中的使用效果與使用壽命。智能終端采用一套以嵌入式低功耗CPU為核心(主頻1.2GHz)的高性能嵌入式一體化人-機(jī)界面。同時(shí)還預(yù)裝微軟嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)WinCE(中文版)。

　　(3)建立防火墻。不同的接口有不同的防護(hù)硬件和軟件防火墻，為新型控制模式的信息化管理和決策提供了基礎(chǔ)保障。

　　(4)雙熱備冗余可編程控制器的選擇。可編程控制器本身具有很高的可靠性、穩(wěn)定性，雙冗余PLC的選擇，進(jìn)一步保障了智能終端的實(shí)時(shí)在線(xiàn)功能。

　　(5)智能終端的功能不僅僅是控制設(shè)備，還共享設(shè)備層PLC、傳感器、智能配電元件采集的數(shù)據(jù)，因此智能終端進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了軟總線(xiàn)接口，負(fù)責(zé)上行和下行數(shù)據(jù)通訊和規(guī)約解釋?zhuān)��?fù)責(zé)與生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)通訊，讓全廠所有的信息數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)統(tǒng)一的格式在智能終端上進(jìn)行共享[4]。

　　(6)為了保證系統(tǒng)的安全可靠，在PLC控制柜端提供了系統(tǒng)故障時(shí)的應(yīng)急處理，相當(dāng)于原有控制箱的功能。

　　3終端智能控制箱的方案實(shí)施

　　3.1主要硬件選型

　　(1)控制箱箱體:選煤廠的生產(chǎn)環(huán)境較惡劣，箱體選用聚碳酸酯或不銹鋼材質(zhì)，在安裝配置元件時(shí)，對(duì)其開(kāi)孔處進(jìn)行密封處理，確保智能控制箱安裝箱體具有耐熱、耐腐蝕、全絕緣、高防護(hù)等級(jí)(IP65)、高機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。

　　(2)智能控制終端(工業(yè)平板電腦):設(shè)計(jì)采用一套以嵌入式低功耗CPU為核心的高性能一體化人-機(jī)界面。該平板電腦采用了26.42cm(10.4英寸)高亮度TFT真彩液晶屏、電阻式觸摸屏，外殼是堅(jiān)固且電磁屏蔽性較好的鋁合金結(jié)構(gòu)。操作系統(tǒng)選用的是適合嵌入式和移動(dòng)技術(shù)平臺(tái)的WinCE。

　　(3)開(kāi)關(guān)電源:智能控制箱中的工業(yè)平板電腦需要處于運(yùn)行狀態(tài)，功耗較小，散熱較差，為了減弱熱量散發(fā)和其他電氣元件老化，采用開(kāi)關(guān)電源為整個(gè)智能控制箱供電。開(kāi)關(guān)電源功耗小、效率高，較寬的穩(wěn)壓范圍可以盡量消除電網(wǎng)電壓變化給箱內(nèi)設(shè)備帶來(lái)的影響，且較小的體積易于安裝在箱內(nèi)的導(dǎo)軌上。

　　(4)按鈕和急停開(kāi)關(guān):智能控制箱內(nèi)使用一個(gè)常閉按鈕作為平板電腦的電源開(kāi)關(guān)，在箱內(nèi)平板電腦關(guān)機(jī)后，按下按鈕即相當(dāng)于給平板電腦重新通電，通過(guò)平板電腦的BIOS設(shè)置即可達(dá)到通電自動(dòng)開(kāi)機(jī)的目的。此外，當(dāng)智能控制箱的軟件由于某種原因死機(jī)而導(dǎo)致無(wú)法用軟件方式重啟時(shí)，這個(gè)按鈕也可作為硬件重啟按鈕使用，智能控制終端的軟件即使在突然斷電的情況下也不會(huì)丟失重要配置，而固態(tài)硬盤(pán)和低功耗主板也不會(huì)因?yàn)橥蝗粩嚯姸鴵p傷。為了應(yīng)對(duì)突發(fā)情況，控制箱設(shè)有急停按鈕，急停按鈕的常閉觸點(diǎn)直接與PLC輸入模塊相連，按下按鈕即可通過(guò)PLC內(nèi)部程序停止本層設(shè)備與上級(jí)設(shè)備的運(yùn)行，在事故發(fā)生時(shí)可以有效保護(hù)人身和財(cái)產(chǎn)安全。

　　3.2軟件設(shè)計(jì)終端智能控制箱界面如圖1所示，在箱體上設(shè)有電源按鈕，可根據(jù)需要在停電檢修時(shí)將智能控制箱置于關(guān)機(jī)狀態(tài)，也可將控制箱處于黑屏待機(jī)狀態(tài)，按下控制箱面板上的“電源開(kāi)關(guān)”即可在2min內(nèi)快速開(kāi)機(jī)并進(jìn)入軟件主界面。主界面可以顯示調(diào)度室下發(fā)的消息，以提醒操作員相關(guān)事項(xiàng)。軟件主菜單有“流程顯示”、“設(shè)備控制”、“崗點(diǎn)對(duì)話(huà)”、“信息查看”、“登錄”按鈕，分別實(shí)現(xiàn)不同的功能;右下方的“關(guān)機(jī)”按鈕可實(shí)現(xiàn)軟件關(guān)機(jī)。

　　(1)“流程顯示”菜單主要用于監(jiān)測(cè)顯示該崗點(diǎn)所在生產(chǎn)流程的上下級(jí)設(shè)備或其他設(shè)備的運(yùn)行狀況，也能顯示系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的物料、壓力、閥門(mén)開(kāi)度等重要參數(shù)[5]，能夠使現(xiàn)場(chǎng)操作人員及時(shí)了解系統(tǒng)運(yùn)行狀況，并及時(shí)做好本崗點(diǎn)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的控制調(diào)整。

　　(2)“設(shè)備控制”菜單是現(xiàn)場(chǎng)操作人員需要經(jīng)常使用的操作項(xiàng)功能，主要用于設(shè)備在就地時(shí)的啟停控制。這個(gè)界面也能顯示設(shè)備的重要參數(shù)，如分合閘狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、集控/就地狀態(tài)、運(yùn)行電流、運(yùn)行頻率、故障信息等。當(dāng)設(shè)備需要就地啟動(dòng)時(shí)，操作人員需要向調(diào)度室申請(qǐng)，將集控控制位切換至就地位，然后才能進(jìn)行就地啟停設(shè)備或控制試車(chē)。

　　(3)“崗點(diǎn)對(duì)話(huà)”菜單用于代替原有傳統(tǒng)控制箱與操作控制臺(tái)上的“打點(diǎn)”功能，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)人員需要就地啟動(dòng)某臺(tái)設(shè)備時(shí)，為確保上下級(jí)關(guān)聯(lián)設(shè)備崗點(diǎn)人員的安全，需要操作人員進(jìn)行信息發(fā)送確認(rèn)設(shè)備是否可以啟動(dòng):如果對(duì)方崗點(diǎn)回饋的信息為允許啟動(dòng)時(shí)，操作人員方可啟動(dòng)設(shè)備;如果對(duì)方崗點(diǎn)回饋不允許時(shí)，需要操作人員進(jìn)行等待，直到準(zhǔn)許啟動(dòng)設(shè)備，方可進(jìn)行啟動(dòng)控制操作。

　　(4)“信息查看”菜單可實(shí)時(shí)顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如電流、電能量、設(shè)備的綜保信息[6]等;也可查詢(xún)已存儲(chǔ)設(shè)備的以前的信息，如維修記錄、保養(yǎng)記錄、故障記錄、正常運(yùn)行時(shí)間等。它主要用于設(shè)備在日常操作、維護(hù)及故障判定處理的輔助指導(dǎo)，通過(guò)其所含的“設(shè)備信息介紹”、“使用維護(hù)指導(dǎo)”、“故障處理指導(dǎo)”三個(gè)子菜單，使現(xiàn)場(chǎng)工作人員了解正確的操作方法、設(shè)備日常維護(hù)注意事項(xiàng)、設(shè)備故障排查指導(dǎo)及設(shè)備完好標(biāo)準(zhǔn)。

　　(5)“登錄”菜單有三種賬號(hào)登陸模式。每個(gè)崗位操作員均有屬于自己的賬號(hào)，在操作員上崗時(shí)，輸入自己的編號(hào)和密碼，進(jìn)入登錄狀態(tài)后方可對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，對(duì)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。檢修員賬號(hào)用于查看設(shè)備的電機(jī)保護(hù)器等其他信息。管理員賬號(hào)對(duì)整個(gè)軟件進(jìn)行檢查、調(diào)試和修改，將智能控制箱作為一個(gè)進(jìn)入集控系統(tǒng)內(nèi)部的窗口。管理員可以進(jìn)入智能控制軟件的后臺(tái)界面，查詢(xún)軟件運(yùn)行狀態(tài)和通訊狀態(tài)，處理各種軟件故障，或者對(duì)整個(gè)軟件進(jìn)行功能修改和升級(jí)，后臺(tái)界面的具體功能如下:①查詢(xún)綜保故障的詳細(xì)信息及相關(guān)時(shí)間記錄，為設(shè)備故障排查處理提供方向;②調(diào)用查詢(xún)其他崗點(diǎn)工作是否正常;③終端智能控制箱與電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)管理器的通訊自檢;④終端智能控制箱與集控主站的通訊自檢;⑤終端智能控制箱組態(tài)、驅(qū)動(dòng)軟件自檢;⑥終端智能控制箱軟件故障復(fù)位。

　　4應(yīng)用實(shí)例

　　4.1高莊選煤廠終端智能控制軟件設(shè)計(jì)

　　無(wú)論是全面的信息采集還是設(shè)備與設(shè)備之間的信息交互中，完善、高速、安全、穩(wěn)定的通訊網(wǎng)絡(luò)在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中都起著至關(guān)重要的作用。高莊選煤廠PLC控制系統(tǒng)[7]主站CPU與工業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和組態(tài)客戶(hù)端[8]一同接入機(jī)房?jī)?nèi)的工業(yè)交換機(jī)，再鏈接到核心交換機(jī)的工業(yè)VLAN。廠內(nèi)其他PLC分站(如部分選煤設(shè)備自帶的小型PLC)的CPU均位于配電室或設(shè)備附近的控制箱內(nèi)，將廠房和配電室內(nèi)PLC的以太網(wǎng)接口與配電室的交換機(jī)的工業(yè)VLAN相連，再由遍布全廠的光纖網(wǎng)絡(luò)連接至調(diào)度機(jī)房的三層核心交換機(jī)的工業(yè)VLAN上。此外，廠房?jī)?nèi)用于采集電機(jī)保護(hù)器數(shù)據(jù)的串口服務(wù)器、用于設(shè)備控制的智能終端和工業(yè)操作臺(tái)同屬PLC網(wǎng)絡(luò)與PLC等設(shè)備一同接入。

　　4.2效益分析

　　高莊煤礦選煤廠為滿(mǎn)足其設(shè)備控制要求且實(shí)現(xiàn)崗位“打點(diǎn)”功能，如采用原有傳統(tǒng)控制箱，每個(gè)回路需選用12芯控制電纜(KVV-12×1.5)，如果設(shè)計(jì)兩個(gè)四回路控制箱，一個(gè)回路按240m進(jìn)行計(jì)算，需要敷設(shè)線(xiàn)路成本為20元×240m×8=3.84萬(wàn)元，同時(shí)還需選用200mm×100mm的橋架，橋架敷設(shè)成本為1.7萬(wàn)元，故總成本約為5.54萬(wàn)元。而采用現(xiàn)場(chǎng)智能控制箱僅需要向較近的環(huán)網(wǎng)交換機(jī)敷設(shè)一根超五類(lèi)以上的網(wǎng)線(xiàn)和一根兩芯電源線(xiàn)，即便需要敷設(shè)小型橋架，其成本也不會(huì)超過(guò)一萬(wàn)元，僅安裝材料費(fèi)就可節(jié)省4.5萬(wàn)元。

　　5結(jié)論

　　(1)通過(guò)對(duì)智能型控制終端和可編程邏輯控制器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通訊方式的研究，解決了選煤廠傳統(tǒng)控制箱與配電柜硬接線(xiàn)連接的控制方式，可有效減少原有控制箱和操作臺(tái)通過(guò)硬接線(xiàn)及機(jī)械電鈴來(lái)完成崗位之間的單一信號(hào)傳遞給現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)帶來(lái)的不穩(wěn)定、不安全因素。

　　(2)高莊選煤廠的實(shí)際應(yīng)用表明，采用終端智能控制箱既可保證設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性、高效性，又能有效降低成本，減少生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)控制橋架、控制線(xiàn)路的敷設(shè)，減少線(xiàn)路壓接點(diǎn)，提高控制的穩(wěn)定性。

　　(3)在終端智能控制箱的使用上，為確保通訊的穩(wěn)定性，其上位機(jī)和智能控制箱的總數(shù)量不要超過(guò)所選PLC所允許的最大上位機(jī)數(shù)量。這就要求在PLC選型上要提高其性能要求，即具備通訊擴(kuò)展功能。同時(shí)，為提高控制系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，建議控制系統(tǒng)具備雙機(jī)熱備功能。

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