曲线皮带3# 保护及控制方式的改进研制报告.docx

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曲线皮带3#保护及控制方式的改进研制报告

项目编号：

2010-科B15

鞍钢集团矿业公司

2010年科研项目

研究报告

材料一：

鞍千矿曲线皮带（3#）保护及控制方式改进研制报告

一、项目概述

二、研究目的与意义

三、系统方案选择、原理及构成

1.系统设计要求

2.系统设计原理

2.1系统整体架构设计

2.2监控计算机系统设计

2.3皮带综合保护控制器硬件设计

2.4皮带综合保护器程序设计

2.5皮带数据采集器设计

2.6皮带综合保护系统的电气冗余备份

四、结论

五、推广应用前景及效益分析

材料二：

鞍千矿曲线皮带（3#）保护及控制方式改进试验报告

一、安装调试阶段

二、稳定运行阶段

三、试验阶段

材料三：

鞍千矿曲线皮带（3#）保护及控制方式改进用户意见

材料一

鞍千矿曲线皮带（3#）保护及控制方式改进研制报告

设备检修协力中心

一、项目概述

鞍千原有曲（直）线皮带的保护装置（拉绳、跑偏、撕裂）32个通讯接点，采用落后封闭的RS485通讯方式进行，中间需要通过两个网关与皮带运行控制的PLCCPU进行通讯，厂家对通讯规约保密，没有开发出配套的网络监测软件，造成故障率高、易受现场信号干扰误动作、检修困难、综合保护器经常显示错误信息；出现通讯故障后，无法迅速判断故障接点，需要检修人员在4公里长的皮带上对32个通讯接点，由尾端逐个切断反复试验，检修时间长，影响生产的正常安全进行；没有编制远程复位、屏蔽故障点功能，影响生产持续性；通讯接口单一，没有上传生产数据至管理网能力，信息化差。

在基于传统的RS485通讯软硬件基础之上，各大自动化厂家及国际标准化组织开发的工业现场总线技术已经得到长足的发展，在矿山各个分厂已经进行了广泛应用，由于其在通讯芯片的硬件设计上采用了高可靠性的冗余设计，软件规约上设计了先进的协议及效验算法。

实践证明，其安全性、稳定性都与传统串口通讯方式不可同日而语。

根据鞍千选矿厂主要采用西门子PCS7过程控制系统进行生产作业，曲线皮带的皮带综合保护控制器亦采用西门子S7300PLC系统,监控计算机运行WINCC组态软件，皮带保护数据采集器硬件系统选择了PHLIPS51单片机负责输入数据采集及格式转换，协议转换利用西门子提供的SPC3PROFIBUS通讯芯片，与单片机MCU通过UART口进行通讯，输入开关量接点采用光耦隔离，提高现场抗干扰能力，该数据采集模块直接作为PROFIBUS从站接入皮带综合保护控制器系统的PROFIBUS总线上。

皮带保护数据采集器软件系统开发出适合该采集器的GSD文件，使西门子PLC系统正确识别该采集器，读出地址号、通讯速率，正确采集该皮带保护数据采集器模块上传的现场数据。

此外针对皮带保护检测开关，另设一组独立的电气连接线，通过DC24V送入皮带综合保护器中的开关量输入模块中，作为电气冗余措施，在新型皮带保护控制系统中起到冗余保护作用。

皮带综合保护控制器采用STEP7V5.4编程软件，皮带数据采集器的GSD文件采用C语言编程，单片机MCU通过KeilC51对程序进行编辑、编译。

通过教学试验室的S7300PLC系统，对其进行调试及可靠性试验，最后移植到现场试车运行。

在曲线皮带岗位操作室增加一台监控计算机，运行WINCCV6.0通过西门子工业以太网，与皮带综合保护控制器系统通讯，显示曲线皮带运行状态，利用西门子PLCCPU具有直接判断PROFIBUS接点通讯故障的能力，通过FC功能块编程，可以直接在监控计算机上面显示故障接点具体地址号，可以根据需要远程复位或者屏蔽该故障点，提高了故障检修速度。

增加CP343以太网通讯接口，上传现场数据至管理网，提高远程调度水平。

二、研究目的与意义

鞍千曲（直）线皮带线路较长，在2—4公里长度的皮带两边，分别安装了30—60个保护节点，，改造之前，所有保护节点的数据采集均采用设备厂家提供的串行通讯方式（即通讯规约采用RS485软硬件规范），通过厂家自己开发的综合保护仪经过profibus网关上传给PLCCPU。

经现场实际运行检验，其运行稳定差，故障频繁。

在发生故障后，具体故障点很难判断（许多情况下，必须逐点拆线，检查判断，而生产不允许长时间停车检查），没有其他备用保护措施（无软件复位、屏蔽故障点）。

应急情况下只能甩掉所有保护点（现场急需转车），这样所有的保护就不起作用（不具备甩掉单独故障点的功能），从安全角度是绝对不允许的。

此外，维护所需的备品备件费用昂贵（含厂家软件使用费用），订货周期长，影响设备检修。

我们计划将现场的拉绳、跑偏、撕裂等保护节点拆掉原来的老式RS485通讯总线硬件连接，取消厂家原来选用的皮带综合保护器和通讯网关，将以上皮带保护检测点，接入专门开发的PROFIBUSDP现场总线皮带数据采集器，作为智能从站节点，通过PROFIBUS总线接入重新设计的皮带保护综合控制器（CPU315-2DP）中，由PLC的CPU运行皮带保护控制程序，处理各种皮带软件保护联锁，另将拉绳、跑偏、撕裂等皮带保护开关通过电气连线直接送入皮带保护控制器的开关量输入点，作为皮带保护的冗余措施，提高全系统安全性。

由于采用先进、成熟的西门子PROFIBUS现场总线智能节点技术，可以大大提高全系统的抗干扰性，并且在发生故障时可以通过计算机迅速判断故障点，可以远程复位、屏蔽该故障点，对于保护大型皮带这种重要设备能起到有效的检测和保护控制功能。

此项目研制成功后，可以形成大型皮带保护系统专用的系列产品（基于西门子的PROFIBUSDP、AB的DEVICENET即CAN总线、施耐德的MODBUS总线），在公司内部可根据具体情况普及推广，也可以推广到国内各类皮带保护系统中。

由于矿山先进自动化设备的普遍应用，基于80年代技术的普通RS485通讯软硬件设备，必将被先进的、高可靠性的现场总线技术所代替，现场总线技术是其发展的必然趋势。

此项目经过应用后，弥补了国内产品的性能缺陷，各项性能指标达到国外同类产品先进水平，以后引进各类大皮带设备时，其保护装置可以不必订购，能节约可观的经费，在备品备件的储备上也能节约很多经费。

三、系统方案选择、原理及构成

目前国内大皮带保护采取的都是些相对简单、故障率高且易受干扰的RS485通讯方式，其总线效率低,系统的实时性差,通讯可靠性低,后期维护成本高,网络工程调试复杂,传输距离不够远,单总线可挂节点少,应用不灵活。

国外此类设备均为其内部专业配套产品，难于融入我们的现场通讯网络，且价格高昂，基本不独立出售。

所以必须独立研制出一套智能型皮带综合保护控制装置。

1、系统设计要求

根据在一线现场实际调研，结合生产、检修人员提出要求，为弥补现有皮带保护控制器缺陷，提出以下设计要求：

1.1必须保证拉绳、跑偏、撕裂等皮带保护监测开关动作后，皮带必须紧急停车，保护人员和皮带设备安全；

1.2必须具有较强的抗干扰性，减少皮带保护装置（拉绳、跑偏、撕裂等检测开关）因干扰而造成的误动作，使皮带错误停车；

1.3当拉绳、跑偏、撕裂等皮带保护监测开关动作后，需要快速准确确定具体位置；

1.4具有操作室岗位远程复位故障点功能，提高生产效率；

1.5具有在程序内部软件屏蔽故障点，保证皮带紧急再次转车；

1.6具有运行状态报警、历史趋势存储功能，明确生产责任；

1.7具有将采集数据上传至管理网，供授权的上级单位调阅功能，提高产品信息化水平。

1.8在现场总线通讯基础之上，将拉绳、跑偏、撕裂等皮带保护开关通过电气连线直接送入皮带保护控制器的开关量输入点，在程序运算上与现场总线上传数据互为备用，作为皮带保护控制的冗余措施，提高全系统安全性，

2、系统设计原理

为满足以上设计要求，本项目采用西门子PLC控制系统、PROFIBUSDP现场总线通讯设计出一种新型的皮带综合保护控制方式。

2.1系统整体架构设计如下：

2.1.1监控计算机：

设置1台研华工业IPC610工控机，运行WINCC组态软件、承担皮带运行状态监视、运行状态报警、历史趋势存储、显示具体皮带保护装置动作点、程序内部软件屏蔽故障点，保证皮带紧急再次转车、远程复位故障点、PLC程序运行监测、系统程序编制等工作。

本计算机通过工业以太网方式同皮带综合保护控制器通讯。

2.1.2皮带综合保护控制器：

采用西门子PLC，CPU类型为315，运行系统控制程序，通过PROFIBUS总线和数据采集器相连，对跑偏、拉绳、撕裂等故障检测点进行监测，当以上检测点动作时，使皮带紧急停车，保护人员和皮带设备安全；本控制器具有工业以太网通讯卡，可以将采集的数据上传给管理网，供授权的上级单位调用。

2.1.3PROFIFUS现场总线皮带数据采集器：

本系统采用三个独立的皮带数据采集器，同现场拉绳开关，撕裂开关、跑偏开关在硬件上相结合；采用成熟、稳定的PROFIFUSDP通讯网络，将采集的监测数据上传给皮带综合保护控制器。

2.1.4网络通讯层：

上位监控计算机、皮带综合保护控制器通讯采用100Mbit/s的SIEMENS工业以太网；皮带综合保护控制器、现场总线皮带数据采集器、皮带电机的变频器通讯采用ProfibusDP现场总线，通讯速率定为187.5Kbit/s。

2.1.5设备层：

主要包括三台POWERFLEX700变频调速系统控制皮带电机。

见图1所示。

图1皮带综合保护控制器网络拓扑图

2.2监控计算机系统

监控计算机需要监视皮带运行状态、故障报警、历史趋势存储、显示拉绳、跑偏、撕裂等故障点，监测PLC程序运行状态、具备远程复位故障点、程序内部软件屏蔽故障点，保证皮带紧急再次转车等功能。

硬件采用1台研华工业IPC610工控机，装有CP1613西门子工业以太网通讯卡，通过工业以太网方式同皮带综合保护控制器通讯。

软件采用西门子WINCCV6.0组态软件，运行在windowsXPprofessionalSP3操作系统下。

2.2.1WINCCV6.0简介

WinCC是WindowsControlCenter（视窗控制中心）的简称。

它集成了SCADA、组态、脚本（Script）语言和OPC等先进技术，可以对项目进行组态、编程和数据管理，也可以根据生产工艺构建相应的操作画面、监视画面、控制画面、报警画面、实时趋势曲线、历史趋势曲线和完成报表打印等。

由于其友好的用户界面，缩短了软件开发周期提高了工作效率。

它不仅可以应用于单机系统，也可以构成多用户系统以及包括多个服务器和多个客户机在内的分布式系统。

（1）画面系统

可以创建过程画面，并使其动态化。

在图形系统中可以使用WINCC和第三方公司的ActiveX控件，在编辑动态效果时可以采用C脚本和VBS脚本，针对对象事件的响应可以使用C动作、VBS动作及直接连接。

（2）过程值归档

过程为：

在运行系统中采集、处理和归档工业现场的过程数据，将其储存在归档数据库之中。

在系统运行时，可以以表格或者趋势的形式输出当前或者已归档的过程值，也可以将所归档的过程值作为记录打印输出。

根据生产需要，数据采集的采样周期可以分为非周期、连续周期、可选择周期，并可以设定采集周期时间。

（3）报警消息系统

系统可以用画面和声音的形式报告记录消息事件，还可以用电子和书面的形式归档。

报警可以告知操作员在生产过程中发生的故障和错误消息，用于及早警告临界状态，并避免停机或者缩短停机时间。

报警信息可以对开关量、模拟量灵活设定上下限，并以颜色变换、闪烁、声光方式报警。

（4）报表系统

WINCC提供了报表的创建和输出功能。

创建是指创建报表布局；输出是指打印输出报表。

WINCC提供了多种表单格式，可以根据需要灵活调用和打印。

（5）脚本系统

WINCC提供两种脚本：

ANSI-C和VBScript。

脚本用来组态一些对象的动作（触发函数）。

在运行系统中，后台任务（例如打印日常报表、监控变量或完成指定画面的计算等）均将作为动作来完成，这些动作由触发器来启动。

（6）WINCC的开放性

WINCC全面支持OPC，其它兼容OPC的应用程序可以访问WINCC的过程数据，进行进一步数据处理。

另外，还可以通过OPCHAD（HistoryDataAccess）来访问WINCC的归档数据，即其它程序可以访问WINCC的所有历史数据。

（7）WINCC数据库

WINCC数据库随着技术的发展，由原来的V5.0版本的SyBase数据库改变为V6.0版本的SQL2000数据库，可以通过ADO/OLE-D,OPCHAD和ODKAPI等多种方式访问数据库。

其中OLE-DB是一种快速访问不同数据的开放性标准，它是建立在COM和DCOM的基础之上，可以访问关系型数据库或非关系型数据库。

2.2.2监控画面设计

皮带综合保护画面主要显示皮带运行状态；状态报警；历史趋势存储；皮带保护装置动作位置；程序内部软件屏蔽故障点；保证皮带紧急再次转车；远程复位故障点。

图2所示。

图2皮带监控系统组态框图

（1）皮带监控程序的设计

a皮带主画面包括皮带转速趋势、皮带变频器工作参数、皮带运行允许信号显示等信息。

如图3所示

图3皮带监控主画面

b皮带操作登陆画面

主要提供岗位操作人员操作授权。

如图4所示。

图4操作登陆画面

C故障记录画面

主要显示各个拉绳、跑偏、撕裂、皮带变频器故障等报警信息，WINCC通过以太网驱动连接皮带保护综合控制器CPU相连，通过内部程序编制使该画面可以及时确定具体故障点。

如图5所示。

图5故障记录画面

d故障远程复位、屏蔽画面

远程快速复位、在上位机程序内屏蔽现场故障点，不影响皮带再次转车，

保障生产正常进行。

如图6所示。

图6故障复位、屏蔽画面

e历史曲线趋势画面

主要显示各个皮带变频器电机电流、转速、温度等运行信息，WINCC将采集上来的信息存储在后台的SQL2000数据库内，可以手动采样时间，确定存储深度，如图7所示。

图7历史曲线趋势画面

2.3皮带综合保护控制器硬件设计

根据现场工程需要，考虑程序的计算量和节约费用，我们主要选用S7系列中的S7300PLCCPU315系列硬件模块，编程软件选用STEP7V5.4SP3开发工具包。

2.3.1S7300PLC简介

S7300系列PLC是西门子的中型PLC系统，具有模块化扩展功能，设计紧凑，适合最大输入、输出1000点左右的控制应用。

S7300系列PLC中集成了各种中断处理能力，如时间中断、报警中断、循环中断等。

同时S7300系列PLC具有强大的网络通信能力，如通过CP343-2模块可以使S7300系列PLC作为ASI（执行器与传感器接口）网络中的主站，在现场总线PROFIBUS的应用中完全支持各种通信方式和服务，通过工业以太网，各PLC之间以及HMI（人机接口界面）之间可以进行大数据量的通信。

S7300系列PLC内的32位的CPU具有比较强大的计算功能，并且拥有丰富的接口，可以扩展各类接口模块，实现各类控制功能。

它的主要组成部分有导轨（背板）RACK、电源模块PS、CPU模块、信号模块SM、接口模块IM、功能模块FM、通讯模块CP等。

CPU模块上面集成有1-2个MPI、PROFIBUSDP接口，可供下载程序，扩展框架、双CPU软件冗余、网络通讯使用。

S7300系列PLC的导轨与200、400系列的导轨不兼容，是特制不锈钢异型板，其长度有160，482，530，830，2000（mm）五种，根据模块安装数量、柜体尺寸选择需要长度。

在同一导轨上，除电源模块外，各个模块通过背板总线相连，背板总线分为无源和有源两种，其中有源背板支持热插拔，但需要额外选择订购，根据现场设备重要性决定。

安装顺序为电源模块、CPU模块、通讯模块、各类接口模块。

考虑到该系统有着比较复杂的数学运算，我们选用S7300系列PLC中的较高档型号CPU315-2DP,它具有512KB的工作存储器，可扩展到8MB的FEPROM，最小位操作指令执行时间0.1μS，浮点运算指令执行时间1.5μS，定时器/计数器各512个，最大I/O地址区8192B/8192B，最大数字量I/O总数65536/65536，最大模拟量I/O总数4096/4096，带有两个DP接口，通过扩展I/O模块，可满足可以满足皮带保护控制器的需要。

信号模块SM又称为输入输出模块，我们可以选用数字量输入模块SM321、数字量输出模块SM322。

通信模块CP，主要用于PLCCPU与上位监控计算机、PLCCPU与CPU、PLCCPU与第三方PLCCPU之间，或者与遵守开放协议的第三方智能采集卡、智能仪表、遵守MODBUS协议的电机保护控制器之间进行通讯项目中选用CP343以太网通讯网卡，与上位监控计算机通讯，并可将采集数据上传至管理网，供授权的上级单位调阅功能，提高产品信息化水平。

S7-300编程器的选择，本课题采用集成PCS7中STEP7V5.4SP3编程软件的笔记本计算机，初次下载程序采用西门子的MPI编程电缆，以后可以根据需要，采用以太网连接的方式下载更新程序。

2.3.2皮带综合保护控制器PLC硬件配置

0#主框架：

1#PS3075A6ES7307-1EA00-0AA0

负载电源120/230VAC:

24VDC/5A

2#CPU315-26ES7315-2AG10-0AB0

CPU模块512K工作内存，带两个PROFIBUSDP接口

4#CP343-16GK7343-1EX11-0XE0

工业以太网通讯模块10/100Mbps自适应

5#SM321（DI32）6ES7321-1BL00-0AA0

数字量输入模块32点DC24V输入

6#SM323（DI16/DO16）6ES7323-1BL00-0AA0

数字量输入输出模块16点DC24V输入/16点DC24V输出

3#、4#、5#数据采集器分别作为从站，挂在PROFIBUSDP总线上。

6#、7#变频器分别作为从站，挂在PROFIBUSDP总线上。

如图8所示。

图8皮带综合保护器硬件组态

2.3.3PLCCPU之间网络组态

在本项目中，各CPU之间是通过工业以太网硬件连接的，所以各个CPU之间数据交换也需要通过以太网通讯方式来连接。

实施过程是在STEP7硬件组态窗口中点击组态网络图标，则会弹出NETPRO窗口，即可根据工艺需要，指定需要交换数据的CPU。

如图9所示。

图9网络拓扑图

2.4皮带综合保护器程序设计

2.4.1总体结构

随着硬件技术的发展，所谓的大型PLC系统，实际上也是嵌入式系统的一个分支。

为了更好的分配好硬件资源，实现对硬件组成的合理调用，在PLC的CPU板中厂家也集成了强实时、多任务、高可靠性的嵌入式操作系统，并针对PLC的工作特性进行优化。

在系统运行中，它处于整个软件系统底层，始终处于执行状态，用于组织与特定的控制任务无关的CPU的功能和顺序，包括处理PLC的热启动、刷新输入和输出过程映像区、调用用户程序、处理中断和错误、管理存储区域和通讯任务等。

在高等级的新型CPU中固化有SCF和SFB功能块（子程序），可以让用户设置和访问一些重要的系统功能。

西门子将STEP7集成到PCS7中作为用户程序的编制软件，可实现以下功能：

硬件配置和参数设置；通信组态、运行程序编制、测试、启动和维护；文件建档、运行和诊断等功能。

STEP7编制的用户程序在架构上可以实现线性编程和结构化编程。

线性化编程是指整个用户程序都写在OB1组织块中，只能在编写比较简单的用户程序（仅需较少存储区域）可以采用；结构化编程可以对相同的工艺过程实现编制标准化的功能块（子函数），根据需要赋予不同的实际参数分别调用，简化了程序结构，使程序修改更加方便，程序更容易理解，由于可以分别测试程序的各个部分，查错更为简单，系统的调试也更容易。

STEP7提供多种用户编程语言，包括梯形图、功能块图、语句表、SCL、GRAPH、HiGraph、CFC。

可以根据程序员的专业背景选用合适的语言，但要注意如果程序中需要对指针的调用，用语句表语言比较合适；如果是针对化工背景的工艺人员且包含大量的过程控制，采用接近DCS编程方式的CFC语言比较合适。

根据实际情况，本工程中基本采用的是结构化、梯形图语言编制用户程序。

2.4.2组织块

本程序分别调用了OB1、OB80、OB81、OB82、OB83、OB84、OB85、OB86、OB87、OB88、OB121、OB122。

OB1：

操作系统与用户的接口。

用于循环处理用户程序，操作系统在每次循环中都调用OB1一次，它的中断优先级在组织块中仅高于OB90。

在OB1调用FC1功能块的同时,CPU之间传送的数据也在这里进行处理（如果数据量大且周期性传送，建议在循环中断组织块中处理）如图10所示。

图10OB1组织块

OB80：

CPU发现系统内时间错误时，调用OB80。

OB82：

有诊断功能的模块断线故障，模拟量输入模块电源或者输入信号超过范围时，系统会调用该组织块。

OB83:

系统带电插拔模块，当带电插拔模块时会调用该组织块。

该功能意义为可在系统运行组态下更换新模块，但注意PLC背板要为支持热插拔背板。

OB84:

当CPU检测到MPI等通信总线或者分布式I/O接口故障的来临和消除时，都会调用这个组织块。

OB85:

产生一个中断事件，但对应的OB块没有选择下载到CPU中；访问系统功能块的背景数据块出错及I/O访问出错或者模块故障，均触发该组织块，可据此判断那个模块故障的槽位。

OB86:

机架故障或者分布式I/O故障，调用此组织块。

OB87:

当系统发生通讯错误时，调用此组织块。

OB88:

程序块执行被中止后，CPU操作系统将调用OB88。

OB121:

如果错误的程序下载到CPU中，且没有下载OB121，将会导致正在运行的CPU停机，这在正常生产中是不允许的

OB122:

在访问模块数据时出错，CPU的操作系统即调用OB122。

如图11所示。

图11OB功能块

S7300/400系列的PLC具有很强的检测错误和处理能力，如果CPU检测到某种错误，而没有调用相应的组织块处理程序，那么CPU将由RUN模式转为STOP模式。

这在正常生产过程中是绝对不允许的，所以我们必须根据实际情况编制相应的组织块，保证生产安全运行。

2.4.3功能块

FC1负责采集整个皮带的拉绳、跑偏、撕裂等检测点连锁控制程序，具体作用如下：

皮带必须保证拉绳、跑偏、撕裂各个检测开关全部处于正常状态时，系统处于备妥状态，才可以启动皮带，当某个检测开关检测到皮带发生故障时，立刻停止皮带且发出报警，同时通过网络传输，触发与之关联的设备实现自动连锁停车，使上级给矿设备停止运行，防止物料压住皮带。

部分程序如图12所示。

图12FC1皮带保护检测连锁控制程序

FC2负责控制皮带变频器在满足启动条件的情况下，进行联锁启动停止工作。

如图13所示。

图13皮带变频器联锁控制

2.5PROFIBUSDP现场总线皮带数据采集器设计

皮带数据采集器主要负责和拉绳、跑偏、撕裂等皮带保护检测点进行硬件连接，将其信号上传给皮带综合保护控制器。

2.5.1皮带数据采集器设计要求：

a上传数据要求准确及时，不能丢失保护动作信号，造成人员设备损坏；

b现场不可避免充斥各种干扰，采集器要求具有较强的抗外部干扰功能，防止错误上传信号，导致皮带系统错