煤礦PLC控制系統(tǒng)的應(yīng)用前景

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煤礦PLC控制系統(tǒng)的應(yīng)用前景

馬占尚同煤集團(tuán)燕子山礦運(yùn)銷站

一、序言

在全球工業(yè)計(jì)算機(jī)控制領(lǐng)域，過程控制系統(tǒng)、過程控制軟件、開放性數(shù)據(jù)通信協(xié)議，都已產(chǎn)生了飛速的發(fā)展，幾乎四處都有PLC。開放式通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到了突破，其結(jié)果是將PLC融入更加開放的工業(yè)控制行業(yè)。

PLC（可編程序控制）是八十年代發(fā)展起來的計(jì)算機(jī)技術(shù)與現(xiàn)代通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)代控制理論等合而為一的綜合類的技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)物。由于它在離散過程控制中顯得很完美，越來越多的煤炭集運(yùn)站，港口的散貨裝卸碼頭，電話程控交換機(jī)等使用了PLC產(chǎn)品。我礦洗煤廠和運(yùn)銷站的集中式控制系統(tǒng)就是采用了PLC的技術(shù)成果。MODICON984采用閉環(huán)式的總線控制結(jié)構(gòu)，其主機(jī)通過MODBUS口與上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)相連，其通訊模塊通過同軸電纜以總線結(jié)構(gòu)與其它被控制的分站的遠(yuǎn)程適配器相連，而遠(yuǎn)程適配器又去控制機(jī)架上的其他I/O模塊、繼電器模塊以及A/D、D/A模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，進(jìn)一步控制電機(jī)等動(dòng)力設(shè)備的接觸器、電磁閥以及行程開關(guān)。程控系統(tǒng)采用PLC和上位機(jī)兩級(jí)控制結(jié)構(gòu)方式，并結(jié)合遠(yuǎn)程I/O及PLC子站的功能，通過PLC進(jìn)行程序控制、遠(yuǎn)方控制及就地操作，由上位機(jī)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)視、管理和自動(dòng)順序控制?？刂葡到y(tǒng)（包括主機(jī)、通訊、電源等）采用非冗余配置。

主要功能包括：

參數(shù)的設(shè)定、流程及方式的選擇、設(shè)備的控制等功能；

處理操作指令；

實(shí)時(shí)采集和處理現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)數(shù)據(jù)功能；

實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀況、故障狀態(tài)等功能；

系統(tǒng)的聯(lián)鎖及解列以及規(guī)律控制功能；

系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)的故障自診斷功能；

報(bào)警及打印功能；

二、計(jì)算機(jī)技術(shù)

計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展奠定了PLC控制領(lǐng)域的突飛猛進(jìn)，不管是煤礦、工廠、港口、交通管理、通訊、乃至城市中的立體車庫(kù)都有PLC的影子。懂計(jì)算機(jī)的人都知道，在計(jì)算機(jī)的高級(jí)語言里，C語言是控制語言（譬如數(shù)控車床），匯編語言雖然也能作為控制語言為控制系統(tǒng)所用，但是，由于它的不易讀性，不易調(diào)試性，正逐漸被其它語言所取代。PLC系統(tǒng)尋常采用梯形圖語言，這是PLC廠家采用最多的編程語言，最初是由繼電器控制圖蛻變過來的，比較簡(jiǎn)單，對(duì)離散控制和互鎖規(guī)律最為有用；其次是順序功能圖語言，它提供了總的結(jié)構(gòu)，并與狀態(tài)定位處理或機(jī)器控制應(yīng)用相互協(xié)調(diào)；第三是功能塊圖語言，它提供了一個(gè)有效的開發(fā)環(huán)境，并且特別適用于過程控制應(yīng)用；第四是結(jié)構(gòu)化文本語言，這是一種類似用于計(jì)算機(jī)的編程語言，它適用于對(duì)繁雜算法及數(shù)據(jù)處理；第五是指令表語言，它為優(yōu)化編碼性能提供了一個(gè)環(huán)境，與匯編語言十分相像。MODICON公司的MODSOFT編程軟件只使用梯形圖（984梯形）一種編程語言，而另一個(gè)CONCEPT編程軟件可以使用5種編程語言，依次為梯形圖（LD）、順序功能圖（SFC）、功能塊圖（FBD）、結(jié)構(gòu)化文本（ST）、指令表（IL）。同一編程軟件下的編程語言大多數(shù)可以互換，一般選擇自己比較熟悉的編程語言。在高端應(yīng)用方面，很難進(jìn)一步區(qū)分PLC控制系統(tǒng)和工業(yè)PC控制系統(tǒng)之間的差異，因

為這兩者均采用了同樣類型的微處理器和內(nèi)存芯片。形象地打個(gè)比喻，假使你忘掉工業(yè)PC和PLC這些詞語字面上的含義，那么在箱子里所能夠觀測(cè)到的恰恰是一些基本計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)，我們更多觀測(cè)到的卻是那些基本技術(shù)的繁雜化和混合體，以及軟件與硬件技術(shù)的完美綜合。這些技術(shù)被有效地組合到控制系統(tǒng)中去。

另外，采用開放控制的原因一方面是系統(tǒng)功能集成的需要，另一方面也是由于一些工業(yè)用戶對(duì)功能過分苛求所致。假使能夠給予高度的重視，就能夠獲得更多的基本技術(shù)知識(shí)。PLC制造商專注于系統(tǒng)功能化，而工業(yè)用戶則專注于系統(tǒng)應(yīng)用。人們可以看到，將來的發(fā)展趨勢(shì)是將更多的功能進(jìn)一步集成到一個(gè)控制箱內(nèi)。因而像順序控制和過程控制這樣的事件將會(huì)采用功能化方式進(jìn)行處理，其他像運(yùn)動(dòng)控制等也能夠共享到一致的控制結(jié)構(gòu)體系中。

三、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)

任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò)都有它的結(jié)構(gòu)，不同的結(jié)構(gòu)適合不同的通訊協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，有星形網(wǎng)、環(huán)形網(wǎng)、總線網(wǎng)等，而更多的是它們之間混合而成的網(wǎng)絡(luò)，譬宛如煤集團(tuán)通訊公司的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)就是星形總線網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)的特性決定了網(wǎng)絡(luò)特有的功能。網(wǎng)絡(luò)的通訊規(guī)程、通訊協(xié)議建立了不同設(shè)備間一致的信息傳輸協(xié)議，就譬如TCP/IP協(xié)議一樣，在以太網(wǎng)（局域網(wǎng)非廣域網(wǎng)）的每一個(gè)計(jì)算機(jī)后加一塊LINK板也是為了協(xié)議落實(shí)在物理連接上，使之順利實(shí)現(xiàn)。

在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化過程控制系統(tǒng)環(huán)境中，軟件能夠應(yīng)用于多種系統(tǒng)組態(tài)和系統(tǒng)配置，用戶工作在應(yīng)用層，組態(tài)程序定位于數(shù)據(jù)鏈路層，所有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議最終通過物理層的通斷來實(shí)現(xiàn)。盡管傳統(tǒng)PLC被應(yīng)用于離散過程控制領(lǐng)域，但現(xiàn)在，PLC已被廣泛應(yīng)用于連續(xù)過程控制領(lǐng)域，而且基于連續(xù)過程控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)正在進(jìn)一步得到增長(zhǎng)。通信是PLC應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，這種技術(shù)在PLC領(lǐng)域已經(jīng)得到擴(kuò)展。同系統(tǒng)一樣，對(duì)PLC進(jìn)行分散化處理已經(jīng)成為可能，所以更簡(jiǎn)單進(jìn)行管理，以便能夠更好地集成在一起。

通訊技術(shù)涉及協(xié)議、傳輸速率、傳輸媒體介質(zhì)、設(shè)備性能、奇偶校驗(yàn)方式、信號(hào)衰減程度、電磁干擾狀況、溫度與濕度、以及傳輸方式等等。我站的控制系統(tǒng)采用令牌傳送方式，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)定向傳送，不涉及模擬技術(shù)，所以有高速的傳輸媒體與設(shè)備。隨著通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，有可能利用通信系統(tǒng)將控制功能形成閉環(huán)過程控制，由于越來越多的控制計(jì)算機(jī)已經(jīng)嵌入了I/O系統(tǒng)。

四、現(xiàn)代控制理論

古典控制理論強(qiáng)調(diào)的是有反饋過程的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的控制，現(xiàn)代控制理論強(qiáng)調(diào)的是面對(duì)面、矩陣對(duì)矩陣式的控制。在控制方式上分集中式和分布式（又稱主從式控制網(wǎng)絡(luò)），而我礦的PLC控制系統(tǒng)實(shí)際就是用于離散過程控制的總線結(jié)構(gòu)式的集中式控制系統(tǒng)。

其實(shí)就控制系統(tǒng)的主體而言，系統(tǒng)實(shí)際上分為三個(gè)部分，即：中樞控制機(jī)構(gòu)、傳感機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)。以我們運(yùn)銷站為例，MODICON984A主機(jī)與其控制的三個(gè)PLC分站就是中樞控制機(jī)構(gòu)，它負(fù)責(zé)信息傳輸、程序的規(guī)律運(yùn)算、以及系統(tǒng)組態(tài)中的規(guī)律地址的物理定位。膠帶運(yùn)輸機(jī)的各種保護(hù)、操作臺(tái)、泵站的各種保護(hù)、煤位指示均屬于傳感機(jī)構(gòu)。由繼電器模塊控制的電機(jī)啟動(dòng)接觸器以及電磁閥，行程開關(guān)等就屬于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它負(fù)責(zé)執(zhí)行指令，使被控制的設(shè)備動(dòng)作，以達(dá)到系統(tǒng)的控制目的。

隨著通訊技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的延伸和視頻、音頻技術(shù)的廣泛應(yīng)用，PC計(jì)算機(jī)的控制已做得很好，但距離PLC的控制仍有一段距離。

五、與監(jiān)控系統(tǒng)的通信

隨著計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展，依靠PC（包括工控機(jī)）的監(jiān)控系統(tǒng)越來越多地應(yīng)用在自控系統(tǒng)中，這種監(jiān)控系統(tǒng)一種是PLC開發(fā)商專為自己的（或特定的）產(chǎn)品量身定做的；另一種是軟件開發(fā)公司開發(fā)的適合大多數(shù)PLC產(chǎn)品的監(jiān)控系統(tǒng)。前一種與PLC產(chǎn)品的相容性強(qiáng)，能夠根據(jù)PLC產(chǎn)品的特點(diǎn)制定相應(yīng)的控制方案，應(yīng)當(dāng)說仍以PLC為中心；后一種則拋開了PLC產(chǎn)品，重視計(jì)算機(jī)在圖像、動(dòng)畫、聲音、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)等方面的優(yōu)勢(shì)，給二次開發(fā)人員提供了較寬松的開發(fā)條件，往往可以制作出優(yōu)秀的監(jiān)控系統(tǒng)，只要有相應(yīng)的通信協(xié)議（目前已擁有了絕大多數(shù)生產(chǎn)廠家的通信協(xié)議），就可以與各種類型PLC相連，是當(dāng)今自控系統(tǒng)首選。

馬脊梁洗煤廠以及舊高山集運(yùn)站的控制系統(tǒng)所作的人機(jī)界面iFIX就是這樣的例子。將來的用戶規(guī)律程序（譬如梯形圖程序）,作為使用者是無法看到的。使用者只能看到動(dòng)畫的、圖像的‘傻瓜’人機(jī)界面程序。開發(fā)商已壟斷了用戶規(guī)律程序，這使得用戶在系統(tǒng)的應(yīng)用上更加依靠于開發(fā)商。

六、終止語

大型設(shè)備的自動(dòng)控制技術(shù)或網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)絕非是一個(gè)人的能力所能承受的，它需求的技術(shù)是方方面面的，所以火力發(fā)電廠的控制技術(shù)含量好多，需求的人才也是多方面的。作為煤礦是不太需要自