提升機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

王樹(shù)鋒

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)煤峪口礦，山西 大同 037003）

引言

提升機(jī)作為煤礦作業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵提升設(shè)備，主要承擔(dān)著煤礦矸石、煤炭等材料以及人員和設(shè)備的下放、提升以及運(yùn)送任務(wù)[1]，因此，提升機(jī)在煤礦生產(chǎn)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，是輸送井上井下貨物以及人員的關(guān)鍵橋梁[2]。提升機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)、操作系統(tǒng)、卷筒、深指系統(tǒng)、減速器和制動(dòng)系統(tǒng)等組成，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用直流或者交流方式，而提升機(jī)的提升和下降過(guò)程就是利用對(duì)直流或者交流電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)控制實(shí)現(xiàn)的[3]。為保證提升機(jī)在升降中運(yùn)行平穩(wěn)，不論電動(dòng)機(jī)是處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)還是正轉(zhuǎn)狀態(tài)，一般都存在啟動(dòng)、加速、再加速、中速運(yùn)行、減速、全速勻速運(yùn)行、低速運(yùn)行、制動(dòng)停車(chē)等階段[4-5]。由于提升機(jī)在運(yùn)行中PLC硬件會(huì)發(fā)生故障，造成提升機(jī)停運(yùn)，給煤炭生產(chǎn)造成嚴(yán)重的損失，本文設(shè)計(jì)采用冗余PLC控制[6-7]的提升機(jī)全自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的全自動(dòng)運(yùn)行，進(jìn)而保證提升機(jī)的穩(wěn)定、安全及運(yùn)行可靠。

1 提升機(jī)冗余PLC控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

在礦井生產(chǎn)中，提升機(jī)故障通常會(huì)發(fā)生在PLC硬件或者外圍器件上，造成提升機(jī)停運(yùn)，給煤炭生產(chǎn)產(chǎn)生嚴(yán)重的損失[8]，因此，本文設(shè)計(jì)采用冗余PLC控制的提升機(jī)全自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。選用兩套PLC來(lái)對(duì)硬件進(jìn)行雙機(jī)熱備，接入并保留原轉(zhuǎn)子回路串電阻控制回路，將變頻調(diào)速系統(tǒng)接入，實(shí)現(xiàn)無(wú)極和多級(jí)調(diào)速，降低故障發(fā)生的概率。在提升機(jī)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)快速切換PLC和變頻、轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速系統(tǒng)，保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠。

當(dāng)系統(tǒng)在作業(yè)時(shí)出現(xiàn)故障，利用冗余控制[9]，并借助備用關(guān)鍵設(shè)備來(lái)快速啟動(dòng)控制系統(tǒng)，進(jìn)而維持系統(tǒng)的正常作業(yè)，因此設(shè)計(jì)應(yīng)用冗余PLC控制系統(tǒng)不僅可以提高控制系統(tǒng)的可靠性，還可以降低故障發(fā)生率。提升機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)包括有冗余PLC、觸摸屏、上位機(jī)、轉(zhuǎn)子回路串電阻、變頻器、監(jiān)測(cè)傳感器等。圖1為提升機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的總設(shè)計(jì)圖。

圖1 提升機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的總設(shè)計(jì)圖

冗余PLC控制提升機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)主要功能是當(dāng)PLC產(chǎn)生故障時(shí)避免提升機(jī)停車(chē)。當(dāng)PLC主控產(chǎn)生故障時(shí)，利用程序切換至副P(pán)LC運(yùn)行，冗余PLC和安全回路及信號(hào)系統(tǒng)、液壓站、井筒及深度指示信號(hào)、變頻器/轉(zhuǎn)子回路串電阻、軸編碼器、操作臺(tái)及上位機(jī)連接，采集傳感器利用PLC邏輯控制單元處理來(lái)對(duì)提升機(jī)運(yùn)行進(jìn)行控制，最后通過(guò)上位機(jī)將提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行顯示。

2 軟硬件設(shè)計(jì)

在提升機(jī)硬件設(shè)計(jì)中控制器采用S7-400PLC，對(duì)PLC輸入和輸出點(diǎn)數(shù)進(jìn)行分配，對(duì)PLC地址也進(jìn)行分配，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)控制系統(tǒng)的功能；對(duì)于提升機(jī)軟件是對(duì)控制系統(tǒng)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，有提升機(jī)運(yùn)行控制模塊、固定值傳送模塊、數(shù)字量/模擬量處理模塊、安全回路模塊、液壓控制模塊、故障處理模塊和報(bào)警模塊等，通過(guò)將程序編好并下載至PLC中進(jìn)行程序的運(yùn)行操作，進(jìn)而對(duì)提升機(jī)設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行控制，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的精準(zhǔn)運(yùn)行控制和保護(hù)。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

提升機(jī)冗余PLC控制系統(tǒng)的主副P(pán)LC都選用西門(mén)子S7-400系列，主要是實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行控制、信號(hào)處理、系統(tǒng)保護(hù)和數(shù)據(jù)計(jì)算等。依據(jù)外部輸入PLC的模擬量、數(shù)字量信號(hào)，在PLC中完成邏輯推算，通過(guò)PLC控制對(duì)提升機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)、停車(chē)、運(yùn)行和故障保護(hù)等，對(duì)提升機(jī)的過(guò)卷、過(guò)速、閘瓦磨損等實(shí)現(xiàn)保護(hù)。

采用冗余控制提升機(jī)，借助于PROFIBUS通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)主副P(pán)LC通信，并借助MPI通信協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通信，其中，主PLC內(nèi)部主體含有輸入輸出寄存器、I/AI與O/AO輸入/出口、CPU、存儲(chǔ)器、電源和MPI/DP通信接口，其和副P(pán)LC、外部傳感器、變頻器/轉(zhuǎn)子回路串電阻、上位機(jī)相連接。圖2為提升機(jī)主PLC和外部設(shè)備的連接設(shè)計(jì)圖。

圖2 提升機(jī)主PLC和外部設(shè)備的連接設(shè)計(jì)圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

提升機(jī)軟件控制設(shè)計(jì)含PLC程序和上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)。S7-300/400系列PLC選用SIMATIC Manager軟件進(jìn)行編程；S7-200系列PLC選用STEP7 MicroWIN軟件進(jìn)行編程，以上都稱作STEP7軟件。提升機(jī)控制系統(tǒng)主控程序可完成初始化、主副P(pán)LC通訊、自檢、節(jié)能運(yùn)行控制、故障診斷與報(bào)警、啟停、液壓控制和模擬量/數(shù)字量處理等工作。圖3為提升機(jī)控制系統(tǒng)主控程序流程圖。

3 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)及運(yùn)行調(diào)試

上位機(jī)監(jiān)控軟件可以組態(tài)提升機(jī)作業(yè)中的各種狀態(tài)，將直觀的數(shù)據(jù)和信息提供給提升機(jī)司機(jī)，組態(tài)畫(huà)面有提升主界面、運(yùn)行曲線界面、安全回路界面、傳動(dòng)界面、故障樹(shù)界面、液壓站界面等，將這些界面組態(tài)的控件連接于現(xiàn)場(chǎng)PLC中用來(lái)收集現(xiàn)場(chǎng)信息的變量，并將現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況實(shí)時(shí)反應(yīng)出來(lái)，便于維修人員和提升機(jī)司機(jī)獲得操作與維修數(shù)據(jù)，因此，上位機(jī)監(jiān)控軟件起著至關(guān)重要的作用。

本文中，上位機(jī)組態(tài)軟件采用西門(mén)子SIMATIC WinCC Explorero[10]制作，在觸摸屏、上位機(jī)上將提升機(jī)運(yùn)行整個(gè)過(guò)程進(jìn)行顯示，并將提升機(jī)控制系統(tǒng)利用通訊協(xié)議MPI進(jìn)行通信。針對(duì)提升機(jī)各種界面設(shè)計(jì)，本文只重點(diǎn)仿真分析主界面和故障樹(shù)界面設(shè)計(jì)的運(yùn)行效果，分別得到圖4所示的結(jié)果。

圖3 提升機(jī)控制系統(tǒng)主控程序流程圖

圖4 提升機(jī)故障樹(shù)界面

主控界面顯示提升機(jī)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程，其會(huì)隨著提升機(jī)的運(yùn)行，箕斗也會(huì)上下運(yùn)動(dòng)，界面設(shè)計(jì)有安全回路情況、井筒開(kāi)關(guān)情況的閃爍顯示、停車(chē)回路情況、提升機(jī)速度、PLC主副箕斗位置、閉鎖回路情況、油壓給定、開(kāi)車(chē)信號(hào)等，還將不同界面的切換設(shè)置于最下方，便于監(jiān)控其他界面回路。圖4中，主要是對(duì)計(jì)算機(jī)定量計(jì)算的中間事件、各底事件的概率重要度進(jìn)行顯示，并依據(jù)大小順序排序顯現(xiàn)，可對(duì)故障實(shí)時(shí)監(jiān)控查看。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)提升機(jī)在運(yùn)行中PLC硬件會(huì)發(fā)生故障，造成提升機(jī)停運(yùn)。本文設(shè)計(jì)采用冗余PLC控制的提升機(jī)全自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，選用兩套PLC來(lái)對(duì)硬件進(jìn)行雙機(jī)熱備，接入并保留原轉(zhuǎn)子回路串電阻控制回路，將變頻調(diào)速系統(tǒng)接入，實(shí)現(xiàn)無(wú)極和多級(jí)調(diào)速，降低故障發(fā)生的概率。還對(duì)該系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中上位機(jī)監(jiān)控設(shè)計(jì)采用西門(mén)子WinCC組態(tài)軟件，并對(duì)該系統(tǒng)主界面運(yùn)行效果進(jìn)行查看，結(jié)果表明冗余PLC控制能夠?qū)崿F(xiàn)提升機(jī)的全自動(dòng)運(yùn)行，且檢修方便，提高了生產(chǎn)效率。