現(xiàn)代礦井提升機(jī)信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

魯 卿

(江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212003)

以往礦井提升機(jī)都是傳遞模擬信號(hào)，簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)信號(hào)以繼電器的吸合來(lái)表示，沒(méi)有閉鎖與聯(lián)鎖的機(jī)構(gòu)，受環(huán)境干擾大，經(jīng)常出現(xiàn)發(fā)錯(cuò)信號(hào)和提升錯(cuò)誤方向的事故。信號(hào)系統(tǒng)沒(méi)有存儲(chǔ)記憶功能，事故發(fā)生后無(wú)法進(jìn)行追查，而且信號(hào)系統(tǒng)控制裝置元件多，體積大，耗電多，可靠性差［1］。現(xiàn)代礦井提升機(jī)信號(hào)系統(tǒng)采用目前流行的PLC 為控制核心，配合PLC 冗余技術(shù)，采用LCD 液晶屏進(jìn)行顯示，具有漢字顯示，數(shù)字存儲(chǔ)，故障診斷，安全閉鎖等特點(diǎn)，大大提高了信號(hào)系統(tǒng)的可靠性與安全性，是現(xiàn)代提升機(jī)信號(hào)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 系統(tǒng)組成

現(xiàn)代礦井提升機(jī)信號(hào)系統(tǒng)主要由車房顯示柜，上井口操作顯示臺(tái)，下井口操作顯示臺(tái)3 個(gè)部分組成。車房顯示柜放在司機(jī)操作間內(nèi)，內(nèi)裝2 臺(tái)組態(tài)成冗余系統(tǒng)的PLC，這2 臺(tái)PLC 是整個(gè)信號(hào)系統(tǒng)的管理站，負(fù)責(zé)對(duì)提升機(jī)工作中的各種狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析和管理;上、下井口操作顯示臺(tái)放在上、下井口操作室內(nèi)，其核心遠(yuǎn)程I/O 站ET200M 是整個(gè)信號(hào)系統(tǒng)的工作站，負(fù)責(zé)對(duì)各信號(hào)的采集與發(fā)送［2］。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 顯示柜設(shè)計(jì)

(1)絞車房顯示柜設(shè)計(jì)。絞車房顯示柜主要由S7 －300PLC，LCD 顯示屏，操車控制臺(tái)，數(shù)字輸出模塊，語(yǔ)音通訊模塊構(gòu)成。絞車房顯示柜主要完成上井口、下井口提升信號(hào)的顯示以及語(yǔ)音提示，包括提人、提物、檢修、慢上、慢下、快上、快下、急停等漢字及數(shù)字并保存前3 次信號(hào)指令［3］。還具有急停信號(hào)對(duì)安全回路的閉鎖，停車信號(hào)的閉鎖等功能。

(2)上井口操作顯示臺(tái)設(shè)計(jì)。上井口操作顯示臺(tái)由遠(yuǎn)程I/O 站ET200M、LCD 顯示屏、打點(diǎn)控制按鈕、語(yǔ)音通訊模塊、數(shù)字輸入模塊、數(shù)字輸出模塊、安全閉鎖結(jié)構(gòu)構(gòu)成。上井口操作顯示臺(tái)主要完成上井口的信號(hào)打點(diǎn)和顯示以及語(yǔ)音提示，包括提人、提物、檢修、慢上、慢下、快上、快下、急停等漢字及數(shù)字。還有檢測(cè)各種閉鎖信號(hào)，包括安全門(mén)、阻車器、搖臺(tái)信號(hào)，超重信號(hào)等，以及對(duì)下井口的信號(hào)檢測(cè)，同時(shí)還有向下井口發(fā)送要罐信號(hào)，轉(zhuǎn)發(fā)下井口信號(hào)至絞車房的功能。

(3)下井口操作顯示臺(tái)設(shè)計(jì)。下井口操作顯示臺(tái)由ET200M 遠(yuǎn)程I/O 站點(diǎn)、LCD 顯示屏、打點(diǎn)控制按鈕、語(yǔ)音通訊模塊、數(shù)字輸入模塊、數(shù)字輸出模塊、安全閉鎖結(jié)構(gòu)構(gòu)成。下井口操作顯示臺(tái)主要完成下井口打點(diǎn)信號(hào)的顯示以及語(yǔ)音提示，包括提人、提物、檢修、慢上、慢下、快上、快下、急停等漢字及數(shù)字。還有檢測(cè)各種閉鎖信號(hào)，包括安全門(mén)、阻車器、搖臺(tái)信號(hào)，超重信號(hào)等［4］，以及對(duì)上井口的信號(hào)檢測(cè)，同時(shí)還可以確認(rèn)上井口要罐的信號(hào)或發(fā)出要罐指令。

2.2 系統(tǒng)通訊設(shè)計(jì)

絞車房信號(hào)箱與上、下井口信號(hào)箱之間采用PROFIBUS－DP 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。PROFIBUS －DP 網(wǎng)絡(luò)的組建非常方便，只需1 對(duì)屏蔽雙絞線分別連接各設(shè)備的DP 接口即可完成。PROFIBUS －DP 的組成如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)通訊示意Fig.1 Diagram of system communication

PROFIBUS－DP 專門(mén)用于工業(yè)級(jí)自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備的分散通信，具有高速低成本的特點(diǎn)，可取代價(jià)格昂貴的24 V 或0 ～20 mA 并行信號(hào)線［5］。PROFIBUS－DP 網(wǎng)絡(luò)具有0.009 6 ～12 Mbps 的通訊速度，使提升機(jī)信號(hào)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間大大縮短。PROFIBUS－DP 網(wǎng)絡(luò)具有抗干擾能力強(qiáng)，信號(hào)穩(wěn)定，鋪設(shè)快捷等優(yōu)點(diǎn)，可支持126 個(gè)從站或32 個(gè)主站，這對(duì)整個(gè)信號(hào)系統(tǒng)的擴(kuò)充、多水平信號(hào)系統(tǒng)的擴(kuò)建提供了非常大的便利。

2.3 液晶顯示設(shè)計(jì)

目前大部分提升機(jī)信號(hào)系統(tǒng)采用的是7 段碼顯示，顯示內(nèi)容只能是數(shù)字，顯示單一，不夠豐富。而采用MCU 控制的LCD 顯示屏，顯示內(nèi)容可自由增減，顯示位置也可以根據(jù)需要自由排列，不僅可以顯示數(shù)字，還可以顯示漢字，符號(hào)等。LCD 液晶屏使用的是TTL 電平，可以和單片機(jī)的管腳直接連接，無(wú)需其他驅(qū)動(dòng)芯片，因此LCD 液晶屏的顯示更加可靠［6］。

2.4 PLC 與單片機(jī)接口設(shè)計(jì)

由于PLC 輸出電壓為24 V 無(wú)法直接輸送給89C52 單片機(jī)，因此需要進(jìn)行電壓匹配。圖2 為PLC與單片機(jī)連接示意圖。在此采用PS2801 光電耦合模塊。本設(shè)計(jì)中光耦的原理是把高壓側(cè)的24 V、0 V 電平通過(guò)發(fā)光二極管變成亮、滅的光信號(hào)，再通過(guò)低壓測(cè)的光敏二極管把亮、滅的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成5 V、0 V 信號(hào)，這樣即可把PLC 與單片機(jī)的信號(hào)匹配在一起。光電耦合器可以阻礙高壓和低壓之間電的聯(lián)系，高壓測(cè)的大電流不會(huì)對(duì)低壓測(cè)造成影響，起到良好的隔離和抗干擾的作用［7］。

圖2 PLC 與單片機(jī)連接示意Fig.2 Diagram of connection of PLC and MCU

2.5 語(yǔ)音通訊設(shè)計(jì)

語(yǔ)音通訊模塊由與單片機(jī)連接的ISD4004 －8 模塊和功率放大器LM386M 模塊構(gòu)成。連接方式如圖3 所示。

圖3 語(yǔ)音模塊連接示意Fig.3 Diagram of connection of voice module and MCU

語(yǔ)音通訊采用ISD4004 －8 模塊，單片錄放時(shí)間480 s，芯片采用CMOS 技術(shù)，內(nèi)含振蕩器、防混淆濾波器、平滑濾波器、自動(dòng)靜噪及高密度多電平閃爍存貯陳列。芯片采用多電平直接模擬量存儲(chǔ)技術(shù)，每個(gè)采樣值直接存貯在片內(nèi)FLASH 存貯器中，因此能夠非常真實(shí)，避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和“金屬聲”［8］。但其輸出電壓只有毫伏級(jí)，難以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲，因此采用LM386 功率放大器以提高揚(yáng)聲器的驅(qū)動(dòng)能力。其工作原理為當(dāng)MCU 得到PLC 的信號(hào)后，單片機(jī)根據(jù)不同的信號(hào)尋找ISD4004 的存儲(chǔ)地址并調(diào)用播放程序播放。例如，當(dāng)PLC 打點(diǎn)選擇“2”時(shí)LCD 屏幕上顯示“2 上行”并且語(yǔ)音模塊自動(dòng)播放“慢速上行，注意安全”。語(yǔ)音播放結(jié)束后等待下一次發(fā)車信號(hào)。

2.6 冗余系統(tǒng)的構(gòu)成

S7 －300 系列PLC 可以組態(tài)軟件冗余系統(tǒng)，其目的是防止PLC 故障而造成整個(gè)生產(chǎn)線停運(yùn)［9］。其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。軟件冗余系統(tǒng)由2 臺(tái)PLC 315 －2DP，2 塊CP342 －5 擴(kuò)展卡，2 臺(tái)帶IM153 －2 接口的冗余I/O 站ET200M 和若干雙絞線組成。2 臺(tái)PLC中一個(gè)為主PLC(設(shè)為主站)，一個(gè)為備用PLC(設(shè)為從站)，主、備PLC 之間通過(guò)2 個(gè)CP342 －5 擴(kuò)展卡組成的PROFIBUS－DP 網(wǎng)絡(luò)同步數(shù)據(jù)。主、備PLC 在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)同時(shí)在線，但只有主PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理的內(nèi)容同時(shí)分享給備PLC。當(dāng)主PLC 因故障停機(jī)時(shí)，備用PLC 自動(dòng)切換并緊接著主PLC 出錯(cuò)時(shí)所運(yùn)行的程序繼續(xù)運(yùn)行，保證系統(tǒng)能繼續(xù)運(yùn)行而不會(huì)停止［10］。

圖4 冗余系統(tǒng)的組成Fig.4 Constitution of redundant system

3 控制功能

3.1 絞車房控制功能

絞車房的主要功能就是顯示井下發(fā)來(lái)的信號(hào)，司機(jī)根據(jù)顯示信號(hào)來(lái)操作提升機(jī)以完成工作任務(wù)。根據(jù)煤礦安全規(guī)程，上、下井口發(fā)出相同的信號(hào)才可發(fā)送至絞車房，此時(shí)絞車房會(huì)顯示相應(yīng)的數(shù)字和漢字并伴隨有語(yǔ)音提示，閉鎖信號(hào)接通絞車控制回路，司機(jī)可以發(fā)車。若上井口與下井口信號(hào)不一致，則絞車房不顯示任何信號(hào)，司機(jī)無(wú)法發(fā)車［11］。

3.2 上、下井口控制功能

只有當(dāng)安全門(mén)、阻車器、搖臺(tái)全部到位后，下井口才可向上井口發(fā)送信號(hào)。當(dāng)井底做好開(kāi)車準(zhǔn)備時(shí)，下井口發(fā)出開(kāi)車信號(hào)傳送到上井口，表明已做好開(kāi)車準(zhǔn)備。上井口也可向下井口發(fā)出詢問(wèn)信號(hào)，表明上井口已做好發(fā)車準(zhǔn)備?！凹蓖?、停車、檢修”按鈕按下時(shí)上、下井口，絞車房全線顯示并聲光報(bào)警。

3.3 閉鎖功能

(1)上、下井口設(shè)有提升機(jī)位置檢測(cè)，保證不會(huì)發(fā)錯(cuò)信號(hào)以至于提升機(jī)過(guò)卷，當(dāng)籠罐在井底時(shí)只能上行而不能下行。同樣，當(dāng)籠罐在井口時(shí)只能下行而不能上行。

(2)上、下井口發(fā)出信號(hào)經(jīng)對(duì)方確認(rèn)后方可轉(zhuǎn)發(fā)至絞車房，司機(jī)可發(fā)車，否則絞車房安全回路閉鎖無(wú)法發(fā)車。

(3)上、下井口發(fā)出“急?！毙盘?hào)后，無(wú)需上、下井口確認(rèn)即可傳送至絞車房，可直接命令電控系統(tǒng)抱閘停車。

(4)上、下井口的安全門(mén)，阻車器未到位時(shí)，上、下井口無(wú)法發(fā)出開(kāi)車信號(hào)，當(dāng)所有安全措施到位后即可發(fā)送［12］。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 PLC 軟件設(shè)計(jì)

PLC 軟件設(shè)計(jì)主要包括初始化程序OB100、主程序OB1、安全閉鎖程序FC1、提升限制程序FC2、轉(zhuǎn)發(fā)程序FC3、報(bào)警程序FC4、冗余程序等。主程序主要功能是調(diào)用各種功能塊，使系統(tǒng)能夠按要求正常運(yùn)行［13］。程序流程如圖5 所示。具體操作步驟:①初始化程序OB100 的功能是設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，給系統(tǒng)賦初值;②主程序OB1 的功能是按需調(diào)用功能塊完成相應(yīng)功能，循環(huán)運(yùn)行;③安全閉鎖程序FC1 的功能是檢測(cè)安全門(mén)、阻車器、搖臺(tái)是否到位，如果沒(méi)有到位則無(wú)法打點(diǎn);④提升限制程序FC2 的功能是當(dāng)提升長(zhǎng)材或者檢修時(shí)，打點(diǎn)信號(hào)只能發(fā)慢行;⑤轉(zhuǎn)發(fā)程序FC3 的功能是對(duì)比上井口和下井口的輸入信號(hào)，只有信號(hào)相同時(shí)才可以發(fā)送至絞車房;⑥報(bào)警程序FC4的功能是當(dāng)運(yùn)行過(guò)程中安全設(shè)備突然打開(kāi)，或者遇到急停情況時(shí)，絞車房會(huì)有聲光報(bào)警，并自動(dòng)切斷控制電路抱閘停車［14］。

圖5 程序流程Fig.5 Diagram of program flow

4.2 冗余程序的設(shè)計(jì)

PLC 程序由冗余程序段和非冗余程序段組成，主PLC 執(zhí)行所有用戶程序，備PLC 則只運(yùn)行非冗余程序段而跳過(guò)冗余用戶程序段［15］。冗余程序段程序如下所示:

軟件冗余方式只需要成對(duì)的處理器，無(wú)需再添加其他設(shè)備，在處理器之間通過(guò)軟件來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，組成比較經(jīng)濟(jì)，構(gòu)成十分靈活，提升機(jī)信號(hào)系統(tǒng)選用軟件冗余方式是非常經(jīng)濟(jì)而且有效的。

5 結(jié) 論

本系統(tǒng)采用西門(mén)子公司的S7 －300 系列CPU 和遠(yuǎn)程I/O 模塊ET200M，他們之間采用PROFIBUS －DP 通訊方式，大大提高了信號(hào)的傳輸距離，減少了信號(hào)的干擾，符合井下通訊的需要。提升機(jī)打點(diǎn)信號(hào)采用LCD 屏幕顯示，可顯示數(shù)字，漢字等信息，方便了操作人員的信號(hào)判斷，克服了原有7 段碼的缺點(diǎn)。該系統(tǒng)可儲(chǔ)存10 次信號(hào)操作，給后期檢修提供了方便。本系統(tǒng)還采用了PLC－300 的軟冗余技術(shù)，大大加強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性和可靠性。PLC 信號(hào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，能夠有效地減少和預(yù)防礦井提升機(jī)的安全事故，具有許多傳統(tǒng)提升機(jī)無(wú)法取代的特點(diǎn)。

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