基于PROFINET現(xiàn)場(chǎng)總線的副井操車電控及信號(hào)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

王愛軍

(開灤(集團(tuán))錢家營礦業(yè)分公司，河北省唐山市，063000)

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基于PROFINET現(xiàn)場(chǎng)總線的副井操車電控及信號(hào)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

王愛軍

(開灤(集團(tuán))錢家營礦業(yè)分公司，河北省唐山市，063000)

針對(duì)開灤(集團(tuán))錢家營礦業(yè)分公司副井操車系統(tǒng)存在的問題，設(shè)計(jì)了基于PROFINET現(xiàn)場(chǎng)總線的副井操車電控及信號(hào)系統(tǒng)，分析了副井操車電控及信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，介紹了副井操車電控及信號(hào)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，闡述了副井操車電控及信號(hào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能和改造效果。實(shí)際應(yīng)用表明，該電控及信號(hào)系統(tǒng)降低了副井操車的故障率，提高了運(yùn)輸效率。

副井操車 電控系統(tǒng) 信號(hào)系統(tǒng) 現(xiàn)場(chǎng)總線

煤礦副井擔(dān)負(fù)著生產(chǎn)所需人員、設(shè)備、物料、矸石等的運(yùn)輸任務(wù)，工況復(fù)雜，副井的安全提升是煤礦安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)保障。開灤(集團(tuán))錢家營礦業(yè)分公司是一座1988年投產(chǎn)、產(chǎn)量為500萬t/a的大型現(xiàn)代化礦井，副井操車過去一直采用風(fēng)動(dòng)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)是基于西門子S7200系列PLC，通過通訊電纜進(jìn)行通訊。由于副井操車已經(jīng)使用多年，風(fēng)動(dòng)系統(tǒng)存在系統(tǒng)沖擊大、受力不均勻、機(jī)械部分慣性大力大以及易于損壞等問題，同時(shí)電控系統(tǒng)存在抗干擾性差、效率低、故障率高以及維護(hù)量大等問題。為了確保副井安全提升，現(xiàn)將副井操車系統(tǒng)改造為基于PROFINET現(xiàn)場(chǎng)總線遠(yuǎn)端控制的銷齒式推車機(jī)。

1 副井操車電控及信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

副井操車電控及信號(hào)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強(qiáng)、維護(hù)量小以及安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，主要控制安全門、阻車器、推車機(jī)和搖臺(tái)等設(shè)備動(dòng)作。原操車系統(tǒng)安全門、阻車器、搖臺(tái)均為風(fēng)動(dòng)系統(tǒng)，推車機(jī)為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，各個(gè)設(shè)備動(dòng)作控制較為復(fù)雜。 此次改造將風(fēng)動(dòng)系統(tǒng)改造為液壓系統(tǒng)，增設(shè)液壓站，副井操車電控及信號(hào)系統(tǒng)通過控制液壓系統(tǒng)中的電磁閥動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)油路變換，通過液壓缸的伸縮控制機(jī)械部件的動(dòng)作。此方案簡化了整個(gè)操車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，有利于利用PROFINET現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)副井操車電控及信號(hào)系統(tǒng)通訊。

2 副井操車電控及信號(hào)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

副井操車電控及信號(hào)系統(tǒng)硬件部分主要由傳感器、傳感器分線箱、操作臺(tái)、防爆箱、饋電開關(guān)、真空磁力啟動(dòng)器、北碼信號(hào)箱、液壓站分線箱以及連接這些設(shè)備的各種電纜所組成，副井操車電控及信號(hào)系統(tǒng)硬件組成示意圖如圖1所示。

2.1 傳感器

利用傳感器收集各個(gè)操車部件動(dòng)作信號(hào)，本次改造后所使用傳感器為磁力感應(yīng)傳感器。將傳感器安裝到需要監(jiān)控的部件上，操車部件運(yùn)行過程中帶動(dòng)傳感器運(yùn)動(dòng)，當(dāng)操車部件達(dá)到預(yù)定位置時(shí)，傳感器在磁鐵的有效磁場(chǎng)范圍內(nèi)通過磁鐵的磁力作用，其內(nèi)部觸點(diǎn)發(fā)生動(dòng)作，并將觸點(diǎn)的動(dòng)作信息以電信號(hào)的形式給PLC數(shù)字量輸入。

2.2 傳感器分線箱

傳感器分線箱將來自多處且分散的多跟電纜通過端子排中轉(zhuǎn)集中到一起，然后再通過一根24芯電纜傳遞到操作臺(tái)內(nèi)，此方法減少了操作臺(tái)電纜接口，同時(shí)易于發(fā)生故障時(shí)排除故障。

圖1 副井操車電控及信號(hào)系統(tǒng)硬件組成示意圖

2.3 操作臺(tái)

操作臺(tái)作為人機(jī)對(duì)接環(huán)節(jié)，將實(shí)時(shí)顯示各操車部件的動(dòng)作情況。工作人員通過操作臺(tái)按鈕發(fā)出的控制信息，完成對(duì)操車動(dòng)作控制。

2.4 防爆箱

防爆箱為該水平整個(gè)操車電控及信號(hào)系統(tǒng)的樞紐部分，起到與上下井口通訊、連接操作臺(tái)與液壓站以及實(shí)現(xiàn)信息傳遞等重要功能。

2.5 北碼信號(hào)箱和液壓站分線箱

北碼信號(hào)箱可提供副站準(zhǔn)備好信號(hào)和急停信號(hào)，當(dāng)北碼出現(xiàn)特殊情況時(shí)，急停按鈕可以隨時(shí)停止操車運(yùn)行，大大提高了操車的安全可靠性。液壓站分線箱將來自液壓站電磁閥的多條電纜聚集到一根24芯電纜中與防爆箱連接，節(jié)省了防爆箱的電纜接口。

2.6 動(dòng)力部分

動(dòng)力部分采用1臺(tái)饋電開關(guān)作為本水平操車電源總開關(guān)，1臺(tái)照明綜保,2臺(tái)磁力啟動(dòng)器分別控制液壓站2臺(tái)油泵電機(jī)的起停。

3 副井操車電控及信號(hào)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原則

在充分考慮對(duì)設(shè)備的控制和安全管理需要，系統(tǒng)設(shè)計(jì)著重考慮先進(jìn)性、可靠性、可擴(kuò)展性及安全性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)配置采用先進(jìn)成熟的控制方式和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，充分考慮系統(tǒng)的抗干擾性，采用開放的PROFINET新技術(shù)，把網(wǎng)絡(luò)化和信息化引入到控制領(lǐng)域，構(gòu)建完整的控制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)。實(shí)現(xiàn)控制靈活和信息共享，滿足集團(tuán)公司兩化融合戰(zhàn)略的發(fā)展需要。

3.2 PROFINET 的硬件構(gòu)成

副井操車電控及信號(hào)系統(tǒng)分別采用兩套獨(dú)立供電的S7-300PLC系統(tǒng)控制，以車房為主站的信號(hào)部分采用雙PLC、互為主備的雙系統(tǒng)。主站與分站之間采用PROFINET總線方式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)傳輸中繼設(shè)備，通過光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與傳送。主站和3個(gè)分站都有設(shè)定的專用IP地址。使用ET200M遠(yuǎn)程I/O模塊作為從站來控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，通過傳感器采集外部設(shè)備的到位情況并在操作臺(tái)模擬屏上顯示，并將井上、井下設(shè)備的動(dòng)作情況及報(bào)警信號(hào)傳輸?shù)浇g車房，在上位機(jī)中顯示出來，通過面板上的按鈕給PLC指令，然后經(jīng)內(nèi)部程序運(yùn)算，由PLC的輸出點(diǎn)帶動(dòng)相應(yīng)的繼電器動(dòng)作，繼電器再帶動(dòng)相應(yīng)的液壓電磁閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)操車部分的控制。

3.3 SIMATIC S7主站構(gòu)成

本系統(tǒng)選用CPU315-2DP模塊和CP343-1模塊系統(tǒng)作為IO控制器的主站控制中心和工業(yè)以太網(wǎng)通訊處理中心。CPU 315-2 DP 是一款帶有中/大規(guī)模程序量和PROFIBUS DP 主/從接口的CPU，它除了可以組成集中式I/O結(jié)構(gòu)，還可以組成分布式自動(dòng)化結(jié)構(gòu)。CPU315-2DP模塊具有中、大容量的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以供 SIMATIC組態(tài)工具使用,對(duì)二進(jìn)制和浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算具有較高的處理能力。CPU 315-2 DP 安裝有微處理器，處理器對(duì)每條二進(jìn)制指令的處理時(shí)間大約為 50 ns，每個(gè)浮點(diǎn)預(yù)算的時(shí)間為 0.45 s。256 KB 工作存儲(chǔ)器(相當(dāng)于大約 85 K條指令)與執(zhí)行程序段相關(guān)的大容量工作存儲(chǔ)器可以為用戶程序提供足夠的空間。作為程序裝載存儲(chǔ)器的微型存儲(chǔ)卡(最大為 8 MB)，也允許將可以項(xiàng)目(包括符號(hào)和注釋)保存在 CPU 中。裝載存儲(chǔ)器還可用于數(shù)據(jù)歸檔和配方管理。CP343-1用于連接S7-300 PLC到PROFINET，作為IO控制器連接現(xiàn)場(chǎng)IO設(shè)備。CP343-1擁有一個(gè)預(yù)定的唯一以太網(wǎng)地址，通過網(wǎng)絡(luò)可直接使用。在CP343-1中集成了2端口實(shí)時(shí)ERTEC交換機(jī)，它具有自動(dòng)跨接、自動(dòng)協(xié)商和自動(dòng)檢測(cè)功能。CPU315-2DP模塊和CP343-1模塊兩者配合使用，可處理過程信號(hào)和直接將現(xiàn)場(chǎng)IO設(shè)備連接到PROFINET上。

3.4 軟件實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)的編程軟件采用SIMATIC公司的STEP7 V5.4版本，應(yīng)用結(jié)構(gòu)法編制控制程序，將繁雜的操車控制流程和裝卸載任務(wù)信號(hào)系統(tǒng)劃分成可以反復(fù)使用的小任務(wù)，由相應(yīng)的程序塊來執(zhí)行。隨著礦井提升系統(tǒng)自動(dòng)化程度不斷提高，對(duì)PLC程序的標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)化、模塊化的要求也越來越高。模塊化編程作為一種標(biāo)準(zhǔn)化的編程方式，具有極強(qiáng)的規(guī)范性，如程序運(yùn)行時(shí)所需的大量數(shù)據(jù)和變量存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)塊中，通過組織塊OB(主要為串并時(shí)鐘等程序)、功能塊FC(主要為車房輸入、打點(diǎn)程序、信號(hào)閉鎖、顯示程序、油泵控制程序及操車完成等程序)、數(shù)字塊DB(主要為輸入變量、輸出變量、存儲(chǔ)變量及信號(hào)閉鎖變量等程序)、系統(tǒng)功能塊SFC(保證PROFINET數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性)等之間的調(diào)用，完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集輸入、程序執(zhí)行、輸出控制等，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)操車系統(tǒng)部件的相應(yīng)動(dòng)作功能，滿足裝卸載任務(wù)的要求。

4 副井操車電控及信號(hào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

開灤(集團(tuán))錢家營礦業(yè)分公司副井操車電控及信號(hào)系統(tǒng)改造包括提升信號(hào)和上井口、-450 m井口、-600 m井口操車電控部分，具有獨(dú)立的主用和備用信號(hào)和操車電控控制。整個(gè)改造工程于2016年8月完成并投入運(yùn)行，通過半年多的運(yùn)行表明，該系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能。

4.1 電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

提人時(shí)具有帶副站和不帶副站兩種操作方式，兩種方式間有閉鎖。使用帶副站提人方式時(shí)，當(dāng)副站沒有發(fā)出準(zhǔn)備好信號(hào)時(shí)，主站不能發(fā)出信號(hào)，滿足提升系統(tǒng)安全要求。各水平南北碼、主副站均有急停信號(hào)且有與提升絞車的安全回路閉鎖的接口。罐籠所在水平的提升、停車和急停信號(hào)直接發(fā)向絞車房。急停信號(hào)聲光兼?zhèn)?，在上位機(jī)上能快速分辨發(fā)出急停信號(hào)的位置。在絞車房按下“急停復(fù)位”鈕后才能再次發(fā)出提升信號(hào)。安全門、搖臺(tái)、阻車器具有雙重檢測(cè)硬件與雙重軟件判斷。操車電控操作方式具有手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式，兩種方式受程序閉鎖限制。

4.2 信號(hào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

副井操車信號(hào)系統(tǒng)與提升絞車電控系統(tǒng)有啟動(dòng)回路閉鎖，即信號(hào)不發(fā)到車房，絞車不能啟動(dòng)，同時(shí)能夠進(jìn)行急?？刂?。改造后的信號(hào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以下功能：

(1)信號(hào)系統(tǒng)具有記憶功能，能儲(chǔ)存前3次所發(fā)信號(hào)，也有提升次數(shù)的記憶功能。

(2)信號(hào)之間具有閉鎖功能，即當(dāng)其中一個(gè)信號(hào)發(fā)出后，其他信號(hào)不能發(fā)出。當(dāng)多水平提升時(shí)，只有被選擇的水平可發(fā)提升信號(hào)，其它水平不能發(fā)出提升信號(hào)，只能發(fā)出停車信號(hào)和急停信號(hào)。

(3)信號(hào)與開車回路具有閉鎖功能，即信號(hào)不發(fā)到車房，提升絞車不能啟動(dòng)。

(4)水平安全設(shè)施與信號(hào)具有閉鎖功能，即井門和搖臺(tái)等井口安全設(shè)施不到位，信號(hào)不能發(fā)出。

(5)PLC對(duì)本信號(hào)系統(tǒng)具有自動(dòng)掃描檢測(cè)功能。

(6)有主用和備用兩套信號(hào)系統(tǒng)，備用信號(hào)可在主用信號(hào)損壞情況下做應(yīng)急信號(hào)使用。當(dāng)主用信號(hào)出現(xiàn)問題時(shí)，斷開主用信號(hào)電源開關(guān)，投入備用信號(hào)電源即可使用。

(7)有語言安全告警功能，提人時(shí)，信號(hào)工發(fā)出開車信號(hào)后，語言告警裝置的LED屏顯示“信號(hào)發(fā)出，嚴(yán)禁上罐”顯示字符亮，并伴有相同的語言告警，延時(shí)一段時(shí)間后聲音停止，字符顯示仍然保持。當(dāng)停止信號(hào)發(fā)出后，字符顯示消失，為下一次提升做準(zhǔn)備。

5 副井操車電控及信號(hào)系統(tǒng)改造效果

5.1 優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)功能

在副井操車電控及信號(hào)系統(tǒng)中采用PROFINET網(wǎng)絡(luò)后，用總線相連接，實(shí)現(xiàn)礦井多個(gè)水平信息相互交換，具備了監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)功能。PROFINET的結(jié)構(gòu)能夠使用戶由Internet通過企業(yè)辦公管理網(wǎng)絡(luò)垂直地向下接入各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)直接監(jiān)控，這使得礦井的工業(yè)化和信息化水平大幅提升，滿足了集團(tuán)公司兩化融合戰(zhàn)略的發(fā)展需要。

5.2 提高了系統(tǒng)可靠性，降低了成本投入

采用PROFINET總線連接方式代替一對(duì)一I/O連線，減少了由于接線點(diǎn)過多所造成的不可靠因素。系統(tǒng)具有在線故障診斷、報(bào)警、記錄等功能，可以完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、監(jiān)控、修改編程等工作，簡化了系統(tǒng)維護(hù)，減少了維護(hù)工作量。同時(shí)在整個(gè)系統(tǒng)的安裝和維護(hù)中，省去了大量的電纜、觸發(fā)模塊、繼電器、接觸器，降低了系統(tǒng)成本。由于系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性得以提高，因此生產(chǎn)效率也得以提高。

[1] 陽憲惠.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用[M] .北京：清華大學(xué)出版社，1999

[2] 王樹東,靳雷,吳明永等. 基于PROFINET和PROFIBUS集成網(wǎng)絡(luò)的熔煉集散控制系統(tǒng)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2009(6)[3] 崔堅(jiān).西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005

[4] 張同利.副井操車系統(tǒng)技術(shù)改造[J].中國煤炭，2008(11)

(責(zé)任編輯 路 強(qiáng))

山西省將煤炭產(chǎn)業(yè)占比降低率列入考核體系

《山西省區(qū)域經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)考核評(píng)價(jià)暫行辦法》印發(fā)，明確將煤炭產(chǎn)業(yè)占比降低率列入省市縣三級(jí)考核體系。

該指標(biāo)體系專門設(shè)計(jì)了“資源環(huán)境”板塊，對(duì)環(huán)境指標(biāo)、水資源指標(biāo)、能耗指標(biāo)以及土地利用指標(biāo)進(jìn)行考核，指標(biāo)權(quán)重由原先的16分提高到22分。為體現(xiàn)轉(zhuǎn)型發(fā)展是有質(zhì)量、有效益的增長，是真金白銀、實(shí)實(shí)在在的增長，考核評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中還設(shè)置了增長質(zhì)量板塊。

山西省通過進(jìn)度監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)問題，改進(jìn)工作。同時(shí)，將每項(xiàng)指標(biāo)的責(zé)任落實(shí)到省直各牽頭部門，壓緊壓實(shí)各層面目標(biāo)責(zé)任。各市、縣(市、區(qū))在安全生產(chǎn)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等方面發(fā)生重大問題的，實(shí)行“一票否優(yōu)”，取消當(dāng)年表彰資格。

Research and application of electronic control and signal system of auxiliary shaft operation system based on PROFINET fieldbus

Wang Aijun

(Qianjiaying Mining Industry Branch Company of Kailuan Group, Tangshan, Hebei 063000, China)

Aiming at the open problems of auxiliary shaft operation system in Qianjiaying Mining Industry Branch Company of Kailuan Group, electronic control and signal system of auxiliary shaft operation system based on PROFINET fieldbus was designed and analyzed, hardware design and software design of the system were introduced, and realized functions and reforestation effects of the system were elaborated. The field application indicated that the system lowered failure rate of auxiliary shaft operation system and improved transportation efficiency.

auxiliary shaft operation system, electronic control system, signal system, fieldbus

王愛軍. 基于PROFINET現(xiàn)場(chǎng)總線的副井操車電控及信號(hào)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用 [J].中國煤炭，2017，43(5)：90-93. Wang Aijun.Research and application of electronic control and signal system of auxiliary shaft operation system based on PROFINET fieldbus[J].China Coal，2017，43(5)：90-93.

TD633

A

王愛軍(1972-)，男，河北盧龍人，現(xiàn)任開灤錢家營礦機(jī)電副總工程師，主要負(fù)責(zé)礦井機(jī)電和運(yùn)輸技術(shù)管理工作。