葉輪給煤機是火力發(fā)電廠輸煤系統(tǒng)中非常重要的設備，它可沿煤溝縱向軸道行走或停在一處將煤定量、均勻連續(xù)地撥到輸煤皮帶上［1］。葉輪給煤機的工作過程大致為：地下煤斗中的煤經葉輪給煤機撥到輸煤皮帶上，經皮帶幾級轉運進入主廠房原煤斗。葉輪給煤機是采礦、煤炭、冶金、化工、建材等行業(yè)的重要設備。
1 問題的提出
傳統(tǒng)的葉輪給煤機控制系統(tǒng)存在許多問題，比如葉輪給煤機控制系統(tǒng)是移動設備，控制線纜鋪設難度大，車體定位系統(tǒng)不夠**，控制拖纜容易斷芯、斷線等，這些問題的產生將會為給煤量的控制帶來很大的困難，同時也對配煤質量造成影響。
針對上述葉輪給煤機系統(tǒng)存在的問題，特提出以下改進措施。
1）供電方式采用動力滑觸線。傳統(tǒng)的供電方式采用動力電纜，其優(yōu)點是載流量大、絕緣強度高，但采用絕緣導線的動力線路在敷設范圍和環(huán)境上受到限制。而采用動力滑觸線的優(yōu)點是電流量大、安全可靠、經濟方便，在防護等級和絕緣方面有很大改進，可適用于惡劣環(huán)境，裝拆、調整和維修十分方便。
2）控制方式采用電力線式現場總線。傳統(tǒng)的控制拖纜往往有幾十芯，在長時間移動的過程中容易導致斷芯斷線等現象，使得指令無法正常發(fā)出，信號無法反饋，造成設備故障甚至設備損壞。而采用電力線式現場總線可有效避免上述控制方式的不足，減少故障的發(fā)生。
在以上改進措施的前提下，該設計過程已經制作成產品，被運用在多個電廠，并取得了良好的社會經濟效益。
2 基于電力線式的現場總線設計
2.1 現場總線的概念
現場總線（FieldBus）是20世紀80年代末、90年代初國際上發(fā)展形成的，用于過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領域的現場智能設備互連通訊網絡。它作為工廠數字通信網絡的基礎，溝通了生產過程現場及控制設備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系，圖1為典型的現場總線控制方式示意圖［2-5］。
2.2 基于電力線式的現場總線控制
本系統(tǒng)中針對傳統(tǒng)葉輪給煤機控制系統(tǒng)存在的問題，采用一種電力線式的現場總線控制方式。電力線式現場總線技術，是指將傳統(tǒng)意義上的現場總線與低壓電力線載波技術相融合，低壓電力線載波技術是指將高頻信號耦合到低壓電力線路上，實行低壓電力線載波通信的一種技術，現場總線主要采用編碼技術，將二者結合是一種全新的現場總線技術和應用系統(tǒng)。該技術特點為：1）每個現場總線設備自帶CPU，EPROM，RAM，I/O 等電路，可獨立執(zhí)行控制邏輯，可通過總線隨時更新程序；2）現場總線設備對外信號發(fā)送采用高頻載波調制方式，對總線電纜選型和電纜接頭無任何特殊要求，可以利用VV電纜、KVV電纜等作為現場總線信號傳輸的介質，而取消了一般意義上的現場總線必須采用雙絞線或同軸電纜的限制；3）總線拓撲結構為自由拓撲，每個網段上掛線的總線設備數量可達120個，按工藝系統(tǒng)重要性可接為環(huán)型、總線型、星型總線。通訊距離理論值可達30 km，實際應用中可認為不受限制；4）電力線式現場總線的物理介質為普通電纜，無線通信的物理介質為無線電波，無線通信可以采用總線協(xié)議；5）總線設備供電和通訊同時通過同一電纜實現，供電無距離和容量限制。
與其它現場總線技術如ProfiBus現場總線相比，該技術的應用功能更為廣泛，主要表現在以下幾個方面。
1）電力線式現場總線具有極強的系統(tǒng)抗干擾能力，原因是高頻信號經過電纜傳輸只會改變信號幅值，不會改變頻率，因此抗干擾能力強。ProfiBus 現場總線，當電平信號經過電纜傳輸會產生波形畸變，因此其抗干擾能力差。
2）電力線式現場總線的掛接能力強，理論數據一個組可掛接120個，已實施項目中*大已達到 80 個/組。ProfiBus 現場總線理論數據一個網段可掛接32個設備，與距離、供電等相關，已實施項目*大16個/段。
3）電力線式現場總線采用自由的網絡拓撲結構，靈活可靠。ProfiBus 現場總線只能采用總線型，一旦總線某位置中斷，后續(xù)系統(tǒng)將不可控，系統(tǒng)可靠性低。
4）電力線式現場總線供電方式靈活，一根電纜同時實現總線設備供電與總線通訊，通過總線AC 220 V 供電，也可采用其它電壓供電。Profi?Bus現場總線設備供電電纜與總線通訊電纜嚴格區(qū)分，必須單獨解決供電問題，一般只采用 DC24 V供電。
5）電力線式現場總線的距離長，理論值 30km，具體工程設計中可認為無距離限制。Profi?Bus現場總線的總線距離與波特率、總線電纜、敷設路徑等相關，在9 600 bit/s時理論1 000 m，具體工程設計中限制很多，反復核算。
6）電力線式現場總線的設計過程很簡單，主要設計過程為：按工藝系統(tǒng)劃分組數量，確定主控數量，一個被控對象設置一個總線型智能設備，按此統(tǒng)計設備數量，按物理布置位置，繪制電纜聯(lián)系圖。若采用ProfiBus現場總線設計將會很復雜，其設計過程為：先按區(qū)域確定I/O點數總需求，計算本區(qū)所需總線模塊數量，再按工藝系統(tǒng)初步進行網段分配，初步核算每段內的總線距離、電源容量是否滿足要求，根據初步核算再次調整網段劃分，再次進行電源設計，反復核實，安裝調試階段若發(fā)現不合適之處再次修改。將電力線式現場總線應用于輸煤程控系統(tǒng)中，具體的設計思路為：首先將整個輸煤程控系統(tǒng)以皮帶或轉運站為單位進行劃分，設置多個控制區(qū)域，對每個區(qū)域內的被控對象，以被控對象為單位，設置就地智能電控箱，每個就地電控箱內，同時包含該被控對象對應的動力配電回路、就地操作回路、以及現場總線程控設備。對皮帶保護裝置，在每個保護裝置內部封裝現場總線單元，變?yōu)榭偩€型智能程控設備，掛接在皮帶沿線的現場總線上。
對皮帶沿線的所有智能電控箱或智能設備，以皮帶為單位，劃分為多個組，每組內的設備之間，先用1根ZRC-KVVP-450/750 V 4×1.5電纜串行連接，*后與主控裝置相連。考慮到總線電纜斷線的可能，總線電纜采用環(huán)網連接。1 臺主控裝置可以接入 2 組總線環(huán)網，主控裝置為IP67防護等級鑄鋁質的掛墻箱，直接布置于轉運站內的墻上，安裝簡單。主控裝置通過光纜，與布置在程控室的DCS DPU通訊連接DPU等設備，程控系統(tǒng)的控制邏輯盡量由布置在就地的智能設備處理，皮帶聯(lián)鎖關系由DCS DPU實現。
3 葉輪給煤機控制系統(tǒng)組成
基于電力線式的現場總線葉輪給煤機控制系統(tǒng)組成示意圖如圖 2 所示。由圖 2 可見，系統(tǒng)主要由輸煤程控系統(tǒng)遠程站、主控裝置、行走定位系統(tǒng)、分控裝置、PLC控制器、變頻器、葉輪給煤機等組成。主要工作原理為：輸煤系統(tǒng)遠程站發(fā)出指令并傳送給主控裝置，主控的通訊接口適配遠程站的要求，通信方式由遠程站決定。主控裝置連接到控制安全滑觸線（或采用無線通訊方式），即電力線總線上。電力線總線上還連接的設備有分控裝置，分控裝置通過 RS232或RS485接口與PLC通信，PLC執(zhí)行程序控制驅動變頻器進而調節(jié)葉輪給煤機的轉速。行走定位裝置也連接至電力線總線上，將實時的位置反饋給遠程站。掛在電力線上的各設備之間的通信方式采用電力線總線協(xié)議。PLC與輸煤程控系統(tǒng)遠程站的通信由各廠商的通信協(xié)議來實現（如采用MODBUS協(xié)議等）。
3.1 現場總線主控裝置
圖2中的現場總線主控裝置（BH-DLZK），主要實現的是與運煤自動化系統(tǒng)的接口、與現場總線分控裝置的通訊、對位于同一軌道上2臺葉輪給煤機之間的控制協(xié)調等功能。
主控裝置通常直接布置于運煤自動化系統(tǒng)遠程站程控柜內，與運煤自動化系統(tǒng)通過通訊口實現無縫連接。
3.1.1 主控裝置的作用
現場總線控制裝置采用BH-DLZK 系列。主控裝置的作用在于提供BH系列電力線式現場總線與PLC直接連接，通過網絡實現兩者之間的直接通訊。
3.1.2 主控裝置與PLC模塊之間的相互關系
下面以AB PLC為例介紹主控裝置與PLC模塊之間的相互關系：
BH-DLZK-PLC/AB（產品命名）型主控裝置可直接掛接在AB公司的ControlNet總線網上，實現與 AB PLC CPU 的直接通訊，也就是說在同一個 CPU 所屬的 ControlNet 網絡上，可同時允許多個 BH-DLZK-PLC/AB 型主控裝置與多個常規(guī)ControlNet I/O遠程站共存。
站在PLC側來看，BH-DLZK-PLC/AB型主控裝置的各項技術指標及連接關系均完全遵從ControlNet 雙冗余同軸電纜總線接口協(xié)議，其功能和地位完全等同于 AB 公司的 1756-CNBR 通訊模塊。兩者的區(qū)別在于：對1756-CNBR型通訊模塊，需要再配置單獨的電源模塊、PLC機架后方與ControlNet 總線相連，而 BH-DLZK-PLC/AB 型主控裝置只需外部提供AC 220 V電源，無需再添加任何外部設備便可直接掛接在ControlNet總線上。由于該主控裝置等同于1756-CNBR，因此在此模塊正常工作之前也需要在 Rslogix5000 內進行硬件配置，在 RsnetWork 軟件內進行網絡刷新等工作。
3.1.3 主要技術指標
每臺主控裝置可掛接的分控裝置數量為*大2組，每組*大120個分控裝置。與運煤自動化系統(tǒng)接口方式：硬件規(guī)范，RS232 或 RS485 串口通訊；通訊協(xié)議，用戶自定義，MODBUS，TCP/IP，RK512等，具體由用戶在定貨前協(xié)商確定；通訊速率 19 200 bit/s，38 400 bit/s；工作電源，交流220 V，0.2 A。
3.2 現場總線分控裝置
現場總線分控裝置采用BH-DLFK系列，接收現場總線主控裝置發(fā)來的遠方控制指令，下傳給葉輪給煤機本體所配的微型PLC或給煤機執(zhí)行終端，同時將微型PLC或執(zhí)行終端所采集到的給煤機狀態(tài)、轉速、電流、行走位置等數據打包，上傳給主控裝置。此裝置一般每臺葉輪給煤機設置一個，安裝于葉輪給煤機本體移動控制箱內［6-7］。
現場總線分控裝置除可以連接至安全滑觸線工作外，還可實現無線通訊。此裝置根據其在系統(tǒng)中所起的作用和安裝位置不同，又可分為調度端、執(zhí)行端2類。調度端安裝于卸煤溝內的側墻上，與主控裝置之間通過現場總線實現有線通訊；執(zhí)行端掛裝于葉輪給煤機本體控制柜旁，與葉輪給煤機本體所配的微型 PLC 或給煤機執(zhí)行終端有線通訊；調度端與執(zhí)行端之間通過無線電方式通訊。區(qū)別于其它工業(yè)無線電通訊的主要特征是：1）該無線通訊系統(tǒng)的多個調度端之間通訊電力線現場總線系統(tǒng)進行協(xié)調；2）該系統(tǒng)的無線發(fā)射功率很小，僅滿足卸煤溝空間內通訊要求，不對外界系統(tǒng)造成無線電干擾［7］。
主要技術指標：與葉輪給煤機本體控制柜接執(zhí)行端，中繼段口方式為串口通訊。適用場合為給煤機本體自帶PLC的場合。硬件規(guī)范為RS232或 RS485 串口通訊。通訊協(xié)議為標準方式：ASCII，TCP/IP（以太網），DF1（AB PLC），自由口（西門子PLC），三菱專有等通訊協(xié)議。通訊波特率19 200 bit/s，38 400 bit/s等可選。工作電源：交流220 V，0.2A。
3.3 給煤機行走IC卡定位系統(tǒng)
對行走范圍比較長的給煤機，在程控室顯示其行走的確切位置，具有重要意義。以往給煤機行走位置判斷基本上采用旋轉編碼、接近開關計數等辦法，實際應用中存在許多難以克服的問題。本系統(tǒng)采用IC卡定位方法，徹底解決了此難題。本系統(tǒng)由布置于皮帶沿線的IC卡（數量隨皮帶的長度而定）、（每臺給煤機設1臺）、定位器（每臺給煤機設1臺）等幾部分組成。通過此設備，程控室可感知給煤機所處的絕對位置，不會因各種外部系統(tǒng)的變化而變化。
主要技術指標：與主控裝置連接方式是電力線式現場總線。適用場合為給煤機運行軌道相對比較長的場合；工作電源，交流220 V，0.1 A；IC卡接近距離：0~50 mm；配套IC卡數量，隨用戶要求，一般1.5~2 m設置一個。
設備安裝：IC 卡，軌道沿線現場支架焊接安裝，控制柜背部或給煤機本體適當位置現場支架焊接安裝；定位裝置，控制柜內螺絲或導軌安裝。
3.4 微型PLC或給煤機執(zhí)行終端
給煤機本體控制柜內的就地控制設備，一般給煤機設備廠都會考慮在其內配置一個微型PLC，用于給煤機就地邏輯控制和控制信號接入。主要技術指標：與葉輪給煤機本體控制柜接口方式為硬接線；適用場合為給煤機本體不帶PLC的場合；與分控裝置接口為RS232串口通訊。
3.5 安全控制滑觸線
安全控制滑觸線，在本系統(tǒng)中充當現場總線和滑動連接的作用。
