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北露天礦地面輸煤集中控制系統。控制系統以CX1000控制器為控制單元，通過工業實時以太網實現全系統的監控和生產作業及管理。
關鍵詞：CX1000，實時以太網，膠帶運輸機

0 引言
中電霍煤集團北礦地面輸煤集中控制系統是中電霍煤集團為霍林河在建火力發電廠地面輸煤系統的集中控制部分。擔負著火力發電廠的用煤輸送任務，連接霍林河北礦露天煤場與火力發電廠。運煤輸送距離約五千米。該系統充分總結國內同行業的控制經驗，并吸收了國外當前先進的控制理念，積極運用新技術，使系統達到當前先進水平。

1 工藝概況
輸煤系統設計有四條輸煤膠帶（具體見附圖1），小時生產能力為1200噸。集中控制系統基本控制任務對輸煤系統中101（一次破碎機），102（連接膠帶機），104（二次破碎機），201（轉載膠帶機，4500米），301（上倉膠帶機，455米），401（配倉膠帶機，105米）的實時監視和控制。通過安裝在中央控制室的上位計算機，在集中方式下控制各膠帶輸送機及破碎機，同時將現場膠帶輸送機，破碎機的運行狀態參數及料位計、皮帶秤參數實時顯示，以及對所控膠帶機實施保護。

附圖一輸煤生產集中控制系統總流程圖

2 控制系統結構及功能
在本項目中，系統主站及從站控制單元均采用德國倍福（BECKHOFF）CX1000控制器。上位機采用德國倍福（BECKHOFF）C5102工業IPC。
德國倍福（BECKHOFF）是世界知名的自動化公司，不斷倡導自動化新技術。為自動化應用添加了不少高質量新產品。其構成的自動化系統具有突出的性能及功能優點：
（1） 產品種類齊全，從工業IPC，總線端子，到伺服驅動。
（2） 產品支持協儀廣泛：光導總線（LightBus），Profibus，Interbus，Canopen，DeviceNet，ControlNet，SERCOS，Ethernet，EtherCAT，Modbus，Fipio，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準自動化產品。如AB，MODICON，SIEMENS等廠家產品。
（3） 統一的軟件平臺TWINCAT，實現倍福（BECKHOFF）全系列產品的組態，編程。
（4） 特有的電力電量測量模塊KL3403，可對電力系統在線電壓，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，運行時鐘頻率達266MHZ。可以同時運行四個PLC控制任務。為系統提供一個穩定，可靠的控制程序運行平臺。
根據輸煤生產系統工藝，全系統設置一個主站，兩個從站系統。主站設置于中央控制室中，位于整個系統中部，1#從站設置于101（一次破碎機）與104（二次破碎機）之間，2#從站設置于301（上倉膠帶機）驅動站處。
在系統主站中，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主站與現場從站間的信息交換，通過超五類屏蔽雙絞線實現主站與上位機的通訊鏈路連接。
具體功能包括：
（1）、主站與1#從站控制器信息交換，實現采集并控制1#從站現場設備
（2）、主站與2#從站控制器信息交換，實現采集并控制2#從站現場設備
（3）、主站控制器與上位機間信息交換，實現上位機與各從站間的通訊連接，實現人機界面與現場信號的交互
（4）、主控制室綜合控制任務（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主站與1#從站間的信息交換。同時采集并控制就地設備。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協議與膠帶綜合保護儀ZB02進行通訊連接，實現102（連接膠帶）保護功能（拉繩開關，跑偏開關，堵塞）
（2）、102（連接膠帶）上位機集中控制，包含集中信號，就地信號，運行信號，緊急停止信號等采集，集中控制，就地控制，運行命令及預告信號輸出。
（3）、101（一次破碎機），上位機集中控制，包含集中信號，就地信號，運行信號，緊急停止信號等采集，運行命令及預告信號輸出。
（4）、104（二次破碎機）上位機集中控制，包含集中信號，就地信號，運行信號，緊急停止信號等采集，集中控制，就地控制，運行命令及預告信號輸出。
（5）、通過配置KL3403電力測量模塊，實現102（連接膠帶），101（一次破碎機），104（二次破碎機），102（連接膠帶）處變電所進線電源的電壓，電流，有功功率，累計電能及功率因素的檢測及在線監控。
（6）、102（連接膠帶），101（一次破碎機），104（二次破碎機），除鐵器綜合控制任務及連鎖控制。
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主站與2#從站間的信息交換。同時采集并控制就地工藝設備。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協議與膠帶綜合保護儀ZB02進行通訊連接，實現201（轉載膠帶）保護功能（拉繩開關，跑偏開關，打滑，堵塞，撕裂）
⑵、通過串行通信模塊KL6021，按照MODBUS RTU協議與膠帶綜合保護儀ZB02進行通訊連接，實現301（上倉膠帶）保護功能（拉繩開關，跑偏開關，打滑，堵塞，撕裂）
⑶、201（轉載膠帶）上位機集中控制，包含集中信號，就地信號，1#電機運行信號，2#電機運行信號，3#電機運行信號，緊急停止信號，進線斷路器工作信號，故障信號及準備就緒信號等采集，集中控制，就地控制，運行命令及預告信號輸出。
⑷、301（上倉膠帶）上位機集中控制，包含集中信號，就地信號，運行信號，緊急停止信號，進線斷路器工作信號，故障信號，松閘，合閘及準備就緒信號等采集，集中控制，就地控制，運行命令及預告信號輸出。
⑸、401（配倉膠帶）上位機集中控制，包含集中信號，就地信號，正轉運行信號，反轉運行信號，緊急停止信號等采集，集中控制，就地控制，正轉運行命令，反轉運行命令及預告信號輸出。
⑹、通過配置KL3403電力測量模塊，實現201（轉載膠帶）三個電機，301（上倉膠帶）一個電機，401（配倉膠帶）一臺電動滾筒，201進線電源，301進線電源，401進線電源的電壓，電流，有功功率，累計電能及功率因素的檢測及在線監控。
⑺、通過配置KL3022模擬量測量模塊，實現一個皮帶秤信號（4~20mA），六個料位計信號（4~20mA）的檢測及在線監控。
⑻、201（轉載膠帶），301（上倉膠帶），401（配倉膠帶）綜合控制任務及連鎖控制。
⑼、實現201（轉載膠帶機）的Rockwell DODGE CST（軟起動裝置）數據傳輸及顯示。

現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工業控制計算機（IPC），一臺彩色噴墨打印機及控制臺。兩臺工控機配置WinCC人機界面應用程序冗余。工控機采用兩套德國倍福（BECKHOFF）C5102 IPC（配置P4 2.4G，40G硬盤，DDR 256M內存，17’LCD顯示器），通過超五類屏蔽雙絞線連接工業以太網交換機實現系統主站與上位機間的高速（10/100M），可靠的信息交換。
具體功能包括：
（1）、現場總工藝設備狀態參數顯示，及各獨立設備狀態參數顯示
（2）、102（連接膠帶）， 201（轉載膠帶），301（上倉膠帶），401（配倉膠帶）的控制狀態顯示以及集中控制，拉繩開關，跑偏開關，撕裂，打滑，堵塞的在線實時狀態顯示
（3）、101（一次破碎機），104（二次破碎機），吸鐵器的控制狀態顯示以及集中控制
（4）、一個皮帶秤，料位計在線實時狀態顯示
（5）、電機（101（一次破碎機），104（二次破碎機），201（連接膠帶機），301（上倉膠帶機），401（配倉膠帶機））的運行電壓，電流，有功功率，累計電能及功率因素的檢測及在線監控。
（6）、歷史數據曲線顯示，打印
（7）、數據報表顯示，打印
（8）、報警信息顯示
（9）、幫助信息顯示
在本項目中，為實現可靠，高速（10/100M）信息交換，在上位機與CX1000控制器之間經過工業以太網交換機實現。由于現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。而且現場實際安裝有多臺6KV高壓電機，為徹底有效防止電磁干擾對系統的影響，對現場控制及信息交換通過單模光纖以太網實現。
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構成RealTime Ethernet。控制器間信息交換，通過各CX1000控制器定義Publisher向指定設備或全局設備發布交換變量狀態值，Subscriber來接受交換變量狀態值。

3 結束語
中電霍煤集團北礦地面輸煤集中控制系統已正式投入運行，控制系統各項功能均達到設計要求。控制系統中新技術的引入不僅提供了系統的可靠運行更為企業生產和管理提供良好的平臺。