基于PLC的礦用提升機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

崔文亮

（陽煤集團(tuán)平定裕泰煤業(yè)有限公司，山西陽泉 045200）

0 引言

礦用提升機(jī)作為煤礦開采中的重要設(shè)備，已在煤礦中得到了廣泛應(yīng)用，監(jiān)控系統(tǒng)則成為保證提升機(jī)作業(yè)安全的重要系統(tǒng)?，F(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)大多存在監(jiān)控精度低、響應(yīng)速度慢、計(jì)算能力差等問題[1]，加上井下環(huán)境的惡劣性和設(shè)備使用年限相對較長，導(dǎo)致現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)存在嚴(yán)重老化或信號(hào)誤報(bào)率高等問題，嚴(yán)重影響著提升機(jī)的作業(yè)效率及運(yùn)行安全。因此，有必要將更加先進(jìn)的控制技術(shù)應(yīng)用到監(jiān)控系統(tǒng)中[2]。為此，結(jié)合現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)存在問題及PLC控制技術(shù)的優(yōu)勢，開展了基于PLC控制技術(shù)的提升機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)升級優(yōu)化研究，并對改進(jìn)后的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用測試，由此驗(yàn)證了改進(jìn)后的監(jiān)控系統(tǒng)具有一定的可行性，能更好地保證提升機(jī)的作業(yè)安全。

1 現(xiàn)有提升機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)存在問題

目前，國內(nèi)煤礦中提升機(jī)大多采用的是20世紀(jì)90年代的設(shè)備，就算使用時(shí)間短的設(shè)備也有約10年，其自動(dòng)化和智能化程度相對較低。下面就提升機(jī)上的監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行分析，具體如下：

（1）現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)通訊主要采用電纜方式進(jìn)行連接，存在抗信號(hào)干擾能力差、信號(hào)傳輸速度慢、網(wǎng)絡(luò)冗余功能設(shè)計(jì)不足、電纜老化嚴(yán)重等問題，系統(tǒng)發(fā)生較小的故障都可能會(huì)使提升機(jī)無法正常作業(yè)，嚴(yán)重影響設(shè)備的作業(yè)效率[3]；

（2）現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)存在設(shè)備操作、設(shè)備監(jiān)控、故障判斷等方面存在靈活性差、響應(yīng)不靈敏等問題，且整體具有較大的耗電量，對整個(gè)煤礦環(huán)境的安全性造成了嚴(yán)重的安全隱患；

（3）現(xiàn)有傳感器雖能對提升機(jī)中的油溫、油壓、電壓等信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，但大部分傳感器設(shè)備存在老化嚴(yán)重、信號(hào)采集精度低、響應(yīng)速度慢等問題，時(shí)常出現(xiàn)信號(hào)誤判現(xiàn)象，這將會(huì)對操作人員的判斷造成巨大影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成設(shè)備及人員的損壞或傷亡[4]；

（4）監(jiān)控系統(tǒng)的控制方式較為落后，與當(dāng)下的PLC控制技術(shù)相比，存在系統(tǒng)運(yùn)行速度慢、運(yùn)算能力弱等問題，系統(tǒng)運(yùn)算復(fù)雜時(shí)，現(xiàn)有的系統(tǒng)處理器可能會(huì)出現(xiàn)無法分析計(jì)算狀況，使監(jiān)控系統(tǒng)無法準(zhǔn)確地對提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，這也給提升機(jī)的作業(yè)安全性造成了嚴(yán)重威脅[5]。

綜上分析，隨著控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷升級和發(fā)展，將更加先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用到提升機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的升級優(yōu)化，已成為提高提升機(jī)作業(yè)效率及安全的重要方向。

2 監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

提升機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要由底層設(shè)備層、核心控制層、信息管理層等組成，其中，底層設(shè)備層包括了各類傳感器、配電柜、電機(jī)、變頻器等，主要負(fù)責(zé)對提升機(jī)中各類信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集；核心控制層則主要包括PLC控制器、交換機(jī)等，主要負(fù)責(zé)接收來自底層信號(hào)，并通過內(nèi)部的程序代碼和判斷算法，對信號(hào)進(jìn)行分析判斷，最終通過交換機(jī)將處理后的控制命令信號(hào)傳輸至上機(jī)位管理層；而信息管理層主要負(fù)責(zé)接收核心層發(fā)出的控制命令信號(hào)，通過上機(jī)位軟件內(nèi)部程序的故障診斷和分析，向相應(yīng)功能模塊發(fā)出聲光報(bào)警、遠(yuǎn)程控制及信號(hào)顯示等操作，同時(shí)，根據(jù)需要將信息進(jìn)行打印、存儲(chǔ)及曲線繪制，以此來實(shí)現(xiàn)提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控和控制，整個(gè)提升機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如圖1所示?？紤]到提升機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)存在一定的復(fù)雜性，控制及運(yùn)算量相對較大，故在監(jiān)控系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)中，選用了西門子的S7-300系列的PLC控制器作為監(jiān)控系統(tǒng)的信號(hào)收集及處理的工具。而傳感器則配備了速度傳感器、油壓傳感器、油溫傳感器、電壓傳感器、電流傳感器等，分別負(fù)責(zé)對提升機(jī)運(yùn)行中的提升速度、制動(dòng)系統(tǒng)油壓、制動(dòng)系統(tǒng)油溫、控制系統(tǒng)工作電壓及電流等信號(hào)的采集；而監(jiān)控系統(tǒng)中的通訊則采用了CAN總線方式進(jìn)行通訊，上機(jī)位與下機(jī)位之間采用了以太網(wǎng)方式進(jìn)行連接，以此實(shí)現(xiàn)監(jiān)控信號(hào)的實(shí)時(shí)共享和交換。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

3 監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 PLC控制器匹配

PLC控制器是整個(gè)提升機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分，也是整個(gè)硬件系統(tǒng)的重要組成，能快速完成外界信號(hào)的全面接收，并通過內(nèi)部的程序代碼和計(jì)算方法，完成輸入信號(hào)的分析處理，并實(shí)時(shí)向外部發(fā)出控制信號(hào)[6]。因此，在選用的S7-300系列PLC控制器，提升機(jī)中的電壓、電流、油壓、溫度、傳感器信號(hào)等信息可通過模擬量輸入接口進(jìn)行輸入，在PLC內(nèi)部進(jìn)行處理后，通過模擬量輸出接口進(jìn)行控制命令信號(hào)的輸出。該P(yáng)LC控制器的工作電壓平臺(tái)設(shè)計(jì)為24 V直流電壓，CPU采用了CPU 315-2PN/DP型號(hào)，可通過循環(huán)掃描方式來接收處理輸入信號(hào)，并進(jìn)行相應(yīng)的邏輯運(yùn)算、診斷及程序編寫等操作，所配備的32個(gè)功能模塊，具有較強(qiáng)的擴(kuò)展能力。同時(shí)，PLC控制器中的數(shù)字量輸入模塊則采用了SM321型號(hào)，能穩(wěn)定、快速地將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)為CPU能識(shí)別的電平信號(hào)，是整個(gè)PLC內(nèi)部的橋梁。另外，PLC控制器中的電源模塊則采用了PS307型號(hào)，并進(jìn)行雙電源模塊的供電配置，可迅速將外部220 V/380 V交流電源轉(zhuǎn)為24 V直流電源，其工作電流范圍為2～10 A，能較好地滿足系統(tǒng)不同用電的控制需求。所配備的PLC控制器能更好地滿足提升機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的使用需求。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)電氣控制

在整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)中，存在著諸多電氣元件，而各元件之間需通過專門的控制方式進(jìn)行連接。目前，針對元件的控制主要有手動(dòng)控制和PLC遠(yuǎn)程控制，其中，手動(dòng)控制雖在某些程度能節(jié)約一定的費(fèi)用、操作更容易，但存在線路復(fù)雜、穩(wěn)定性較差等問題，導(dǎo)致手動(dòng)控制經(jīng)常出現(xiàn)信息誤報(bào)等故障問題，且后期檢修時(shí)也存在較大的難度。而采用PLC控制器進(jìn)行控制，能大大提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)出現(xiàn)故障的概率明顯降低，安全系數(shù)更高，適用于復(fù)雜線路的控制。因此，針對提升機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)，則采用了手動(dòng)和PLC兩種控制方式進(jìn)行雙重控制，大大提高了系統(tǒng)的靈活性和穩(wěn)定性。整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)中的電氣控制原理如圖2所示，圖中外部電壓通過整流變壓器后，輸送至變頻調(diào)節(jié)柜，最終將高電壓轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的PLC工作電壓、測速機(jī)工作電壓及其他電壓平臺(tái)，以此完成對用電元件的電壓供電；其中，外部所有元件的信號(hào)將會(huì)匯總于PLC控制柜中，經(jīng)過PLC的統(tǒng)一分析處理后，分別對外發(fā)出相應(yīng)的控制命令。

圖2 提升機(jī)電氣控制原理圖

3.3 PLC控制程序

結(jié)合前文確定的PLC控制器，在完成監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)硬件匹配后，需對其控制程序進(jìn)行編程設(shè)計(jì)。由于提升機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)相對復(fù)雜，運(yùn)行較為緊湊，故在PLC控制程序設(shè)計(jì)中，需主要對OB100系統(tǒng)初始化模塊、OB1循環(huán)組織塊、故障診斷處理模塊、通訊數(shù)據(jù)模塊、控制命令模塊等不同方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，PLC控制程序總體框架圖如圖3所示。

圖3 PLC控制程序框架圖

通訊數(shù)據(jù)處理程序是PLC控制程序中的一部分。該程序采用了STEP7編程軟件中梯形圖語言對其進(jìn)行程序編寫，之后編好的程序可向上機(jī)位發(fā)出按規(guī)律變化的電信號(hào)數(shù)值，上機(jī)位軟件通過內(nèi)部的識(shí)別判斷程序，將該數(shù)值與設(shè)定值進(jìn)行周期性判斷，若兩數(shù)值相同，則允許運(yùn)行系統(tǒng)的通訊連接，否則將中斷通訊。通訊數(shù)據(jù)處理模塊的控制程序如圖4所示。而PLC控制器中其他功能程序基本采用統(tǒng)一編程方法進(jìn)行編寫，這里就不一一贅述。

圖4 PLC通訊數(shù)據(jù)處理模塊的控制程序圖

4 提升機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

在現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，采用PLC控制方式完成了提升機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的改進(jìn)升級。為進(jìn)一步驗(yàn)證改進(jìn)后的監(jiān)控系統(tǒng)整體性能，將其在裕泰煤礦中某型號(hào)的提升機(jī)上進(jìn)行了應(yīng)用測試，測試中，主要在現(xiàn)有提升機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，更換及加裝了相關(guān)的PLC控制器、控制程序及相關(guān)傳感器和其他設(shè)備，開展了近4個(gè)月的應(yīng)用測試。

通過現(xiàn)場測試，得出改進(jìn)后的監(jiān)控系統(tǒng)在運(yùn)行過程中未出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定或系統(tǒng)故障等問題，運(yùn)行狀態(tài)良好，對提升機(jī)作業(yè)中的相關(guān)信號(hào)監(jiān)控及顯示更加快速、及時(shí)，在系統(tǒng)報(bào)警中，也添加了多級故障報(bào)警提示，人機(jī)界面顯示的相關(guān)信號(hào)參數(shù)也更加全面。在整個(gè)測試過程中，提升機(jī)未出現(xiàn)較大的故障問題，即使出現(xiàn)了故障問題，也全部在顯示界面中進(jìn)行了實(shí)時(shí)顯示，與原有監(jiān)控系統(tǒng)相比，系統(tǒng)智能程度更高，使提升機(jī)故障率降低了約45%，作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度也減輕了50%左右。據(jù)推算，該監(jiān)控系統(tǒng)在提升機(jī)上的應(yīng)用，一年時(shí)間內(nèi)，將為企業(yè)增加約50萬的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)束語

為保障提升機(jī)作業(yè)過程中具有更高的作業(yè)效率及安全，對其設(shè)備中安裝的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行升級優(yōu)化設(shè)計(jì)，已成為當(dāng)下煤礦企業(yè)重點(diǎn)考慮的問題。因此，重點(diǎn)分析了現(xiàn)有提升機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行中存在的問題，以此為基礎(chǔ)，開展了基于PLC控制的監(jiān)控系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場應(yīng)用測試，測試結(jié)果表明：

（1）改進(jìn)后的監(jiān)控系統(tǒng)功能更加齊全，性能更加穩(wěn)定可靠，信號(hào)分析處理速度更快；

（2）改進(jìn)后的監(jiān)控系統(tǒng)使提升機(jī)的故障率降低45%左右，人員的勞動(dòng)強(qiáng)度減輕50%左右，給企業(yè)帶來的經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)明顯；

（3）改進(jìn)后監(jiān)控系統(tǒng)得到了現(xiàn)場人員的一致認(rèn)可和好評，同意將其進(jìn)行投入使用；

（4）該研究對提高監(jiān)控系統(tǒng)綜合性能具有重要作用，能有效提高提升機(jī)的作業(yè)效率及作業(yè)安全。