基于PLC和組態(tài)王的礦井提升機(jī)數(shù)字監(jiān)控器

趙樹(shù)芬

(山西省煤炭規(guī)劃設(shè)計(jì)院，山西 太原 030045)

礦井提升機(jī)在煤炭、冶金等深井礦山的生產(chǎn)過(guò)程中起著非常重要的作用。在電氣控制設(shè)備方面對(duì)礦井提升機(jī)提出了以下幾種基本要求：生產(chǎn)安全、可靠度高、功能強(qiáng)大、使用方便靈活。近幾年，隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)形成一套礦井提升機(jī)的電氣控制系統(tǒng)是現(xiàn)代礦井生產(chǎn)的必然。在我國(guó)有90%以上的礦井提升機(jī)仍然采用的是傳統(tǒng)的交流異步電動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)，其單機(jī)容量為1 000 kW以下，而且采用在轉(zhuǎn)子上串電阻來(lái)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，這種調(diào)速方式會(huì)導(dǎo)致速度變換不平滑和不平穩(wěn)。運(yùn)行過(guò)程中人們會(huì)感覺(jué)不舒服。除此，還采用繼電器和接觸器等形成邏輯控制裝置。

可編程序控制器(以下簡(jiǎn)稱PLC)是專門使用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的，其能夠處理多達(dá)上千個(gè)開(kāi)關(guān)量，且不需要改變外部的接線，只需要通過(guò)改變程序就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的修改。由于其具有體積小、功耗低、編程容易、抗干擾能力強(qiáng)、集成度高以及操作方便等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用。PLC可以完成邏輯復(fù)雜的運(yùn)算，通過(guò)使用PLC把調(diào)速系統(tǒng)由原來(lái)的繼電器控制改造成PLC控制，能夠使調(diào)速性能得到很好的改善。

1 PLC的基本原理及特點(diǎn)

1．1 基本原理

通過(guò)PLC對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制，就是按照一定的算法對(duì)輸入輸出進(jìn)行變換，并使該變換得以物理實(shí)現(xiàn)。其中，輸入輸出變換指的是利用微處理器技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息處理，使信息專用化，通過(guò)信息處理后才可以用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制。而物理實(shí)現(xiàn)指的是使經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后得到的信號(hào)要排除各種干擾，適應(yīng)PLC的工作環(huán)境。另外，要想使PLC能夠應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)中，其輸出功率應(yīng)放大到工業(yè)控制所需要的大小。

1．2 PLC 特點(diǎn)

1)可靠性高、方便靈活的輸入輸出。

2)其編程容易、安裝調(diào)試簡(jiǎn)單、維護(hù)方便以及可在惡劣的工業(yè)環(huán)境中使用。

3)其抗干擾能力強(qiáng)、自動(dòng)化集成度高。

1．3 使用時(shí)注意事項(xiàng)

1)應(yīng)遠(yuǎn)離強(qiáng)的振動(dòng)源，同時(shí)要選擇合適的溫度和濕度，并保證其良好的通風(fēng)散熱空間。

2)避免空氣中有較濃的粉塵灰以及帶有腐蝕性氣體。

3)PLC裝置傳送模擬信號(hào)的屏蔽線應(yīng)將其一端接地，而且I/O線和控制線應(yīng)分開(kāi)布線，并保持一定的距離。

4)當(dāng)在PLC裝置的輸入輸出端接感性元件時(shí)，應(yīng)該在輸入輸出端并聯(lián)續(xù)流二極管，避免在電路斷開(kāi)后有電弧產(chǎn)生對(duì)PLC造成影響。

5)應(yīng)保證PLC裝置有較好的接地。在使用時(shí)應(yīng)使PLC的接地與其他設(shè)備分開(kāi)，如果要采用公共接地方式，不能采用串聯(lián)接地的方式。同時(shí)，用于接地的線，其截面積應(yīng)該大于2 mm2，最好使接地點(diǎn)能夠靠近PLC裝置。

2 數(shù)字監(jiān)控器的工作原理

在20世紀(jì)末以PLC為核心控制器研制了一種用于監(jiān)控礦井的設(shè)備，稱其為數(shù)字監(jiān)控器，其工作流程圖見(jiàn)圖1。

圖1 數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)工作流程圖

其工作原理如下：

1)數(shù)字監(jiān)控器首先對(duì)軸編碼器進(jìn)行計(jì)數(shù)，該編碼器是安裝在滾筒軸端的，計(jì)數(shù)后再通過(guò)同步開(kāi)關(guān)進(jìn)行置數(shù)校正，該同步開(kāi)關(guān)安裝在井筒上，經(jīng)過(guò)處理得出礦井提升器件的提升行程S及提升速度V1。

2)再通過(guò)對(duì)測(cè)速發(fā)電機(jī)的信號(hào)衰減得到A/D轉(zhuǎn)化器能夠識(shí)別的信號(hào)，該測(cè)速發(fā)電機(jī)是裝在減速箱的軸端的。信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換以后，數(shù)字監(jiān)控器獲得提升器件的運(yùn)行速度V2，最后對(duì)V1和V2進(jìn)行比較，其中最大的作為提升機(jī)實(shí)際的運(yùn)行速度V。

3)通過(guò)對(duì)礦井提升機(jī)的提升行程S以及運(yùn)行速度V數(shù)碼轉(zhuǎn)化、處理，顯示結(jié)果。

4)數(shù)字監(jiān)控器根據(jù)所選參數(shù)和停車位置，通過(guò)發(fā)出控制命令來(lái)確定提升速度V給定曲線的有關(guān)參數(shù)，例如，運(yùn)行最大速度、運(yùn)行中的加減速度等。

5)通過(guò)以上分析，提升機(jī)在松閘開(kāi)車以后，依據(jù)對(duì)S和有關(guān)參數(shù)的設(shè)置，再通過(guò)函數(shù)V=f(S)來(lái)實(shí)時(shí)的確定速度給定值Vg，再將S與根據(jù)預(yù)先設(shè)好的加、減速點(diǎn)進(jìn)行比較，最后通過(guò) PLC來(lái)對(duì)加減速節(jié)點(diǎn)輸出。

6)數(shù)字監(jiān)控器最后按照保護(hù)原則來(lái)對(duì)與提升速度、行程以及速度給定值Vg相關(guān)的各項(xiàng)進(jìn)行保護(hù)。

3 礦井提升機(jī)數(shù)字監(jiān)控器的實(shí)現(xiàn)方案

1)可以依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的要求，提升機(jī)上安裝2臺(tái)軸編碼器，其中1臺(tái)用來(lái)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，和滾筒相連接，另1臺(tái)用來(lái)測(cè)繩速，與導(dǎo)向輪相連接。

2)要想獲得準(zhǔn)確的速度和距離信號(hào)，可將主電控接到模擬量輸入模塊。使其具有相對(duì)較強(qiáng)的行程控制和速度保護(hù)。

3)安全繼電器以串聯(lián)方式接在數(shù)字監(jiān)控器的主電控安全回路中。

該數(shù)字監(jiān)控器由硬件和軟件組成，具體如下。

3．1 硬件構(gòu)成

硬件構(gòu)成主要是以可編程控制器為核心的，在此采用的PLC為西門子公司生產(chǎn)的S7－300，它具有先進(jìn)的編程特性，可以通過(guò)相互組合組成一些特殊的功能模塊如高速計(jì)數(shù)模塊、軸定位模塊以及協(xié)處理模塊等。這樣容易組態(tài)也方便安裝。S7－300具有處理浮點(diǎn)運(yùn)算能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快和體積小等優(yōu)點(diǎn)，非常適合礦井使用。

其中，高速計(jì)數(shù)模塊用來(lái)接受由編碼器產(chǎn)生的脈沖并記數(shù)。脈沖編碼器安裝在礦井提升機(jī)的滾筒上，精度為1 mm，旋轉(zhuǎn)1周產(chǎn)生1 000個(gè)脈沖。

系統(tǒng)的模擬量輸出模塊是用來(lái)輸出由數(shù)字監(jiān)控器計(jì)算出來(lái)的位置和速度模擬信號(hào)，再由模擬量輸入模塊接收。

系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量輸入模塊是用來(lái)接收外部輸送給PLC的與礦井提升機(jī)主電控系統(tǒng)相關(guān)的信號(hào)。而開(kāi)關(guān)量輸出模塊是用來(lái)發(fā)出報(bào)警信號(hào)以及跳閘指令的。

系統(tǒng)還使用了人機(jī)接口界面，在選擇人機(jī)接口時(shí)，使用了組態(tài)王6．52來(lái)進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，包括數(shù)字監(jiān)控器參數(shù)的設(shè)置和信號(hào)的顯示。

系統(tǒng)供電采用UPS供電，UPS可以一直不間斷的給數(shù)字監(jiān)控器供電，保證其任何時(shí)候都可以正常工作。同時(shí)為了防止電網(wǎng)產(chǎn)生的噪聲干擾和尖峰電壓干擾，還引入了穩(wěn)壓電源，本系統(tǒng)采用交流凈化穩(wěn)壓電源，是一款集穩(wěn)壓和凈化一起的穩(wěn)壓電源，其具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、精度高和失真較小等優(yōu)點(diǎn)。

3．2 軟件構(gòu)成

系統(tǒng)軟件包括以下幾部分：

1)主程序。它是PLC用來(lái)循環(huán)調(diào)用其他子程序并實(shí)現(xiàn)程序的總體功能。

2)數(shù)值處理。數(shù)值處理用來(lái)對(duì)一些必要的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以便程序任何時(shí)候都可以使用。主要包括對(duì)一些中間變量值與不同量綱之間的相互轉(zhuǎn)化。

3)對(duì)計(jì)數(shù)值進(jìn)行處理。主要是將記錄的脈沖編碼器的脈沖數(shù)轉(zhuǎn)化成位置和速度等值，以隨時(shí)供其他程序的應(yīng)用，這是行程監(jiān)控以及速度保護(hù)非常重要的值，是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4)對(duì)數(shù)字監(jiān)控器的同步比較和校正。其主要是用來(lái)對(duì)數(shù)字監(jiān)控器實(shí)行同步比較和自身精確度的同步校正。對(duì)測(cè)量結(jié)果起到重要的作用。

5)系統(tǒng)開(kāi)關(guān)量的處理。對(duì)硬件所得的所有開(kāi)關(guān)量輸入/輸出進(jìn)行處理。

6)系統(tǒng)模擬量的處理。硬件所得的所有模擬量輸入/輸出進(jìn)行處理。

7)形成速度保護(hù)的曲線。速度保護(hù)曲線的形成是依據(jù)有關(guān)數(shù)值，如行程、加減速距離、速度最大值以及速度的加減等來(lái)形成的，是很重要的一部分。

8)對(duì)提升機(jī)工藝操作的控制。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字監(jiān)控器在各種工況下工作條件的判斷，需要實(shí)時(shí)對(duì)礦井提升機(jī)所有的工藝操作過(guò)程進(jìn)行控制。

9)與上位機(jī)通訊。上位機(jī)采用了“組態(tài)王6．52”作為軟件開(kāi)發(fā)工具，是用來(lái)對(duì)礦井提升機(jī)的數(shù)字監(jiān)控器實(shí)現(xiàn)組態(tài)集成、動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)的控制電路，獲得提升機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控畫(huà)面。組態(tài)王6．52為用戶提供了非常豐富的圖庫(kù)以及對(duì)圖庫(kù)的開(kāi)發(fā)工具，可以依據(jù)用戶自己的需求來(lái)現(xiàn)場(chǎng)創(chuàng)建所需的控件，并且在畫(huà)面上可以根據(jù)需要自由搭配。同時(shí)還提供了數(shù)據(jù)連接，容易實(shí)現(xiàn)，避免了以往復(fù)雜的界面設(shè)計(jì)。

在對(duì)組態(tài)王設(shè)計(jì)時(shí)，主要設(shè)計(jì)了主界面、操作界面、報(bào)警界面以及數(shù)據(jù)記錄界面等，并且還對(duì)這些界面編寫了一定的腳本程序。其中，主界面中設(shè)計(jì)了數(shù)字監(jiān)控的總體圖，用來(lái)對(duì)各執(zhí)行設(shè)備的工作情況進(jìn)行監(jiān)視，并對(duì)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行設(shè)置。還可以對(duì)各個(gè)界面進(jìn)行切換。在操作界面上用戶可以方便的用鼠標(biāo)和鍵盤等對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及其相關(guān)參數(shù)進(jìn)行操作。數(shù)據(jù)記錄界面是用來(lái)對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄顯示，同時(shí)還提供了對(duì)歷史數(shù)據(jù)的查詢以及繪制了歷史數(shù)據(jù)的變化曲線圖，這些都是用來(lái)為用戶進(jìn)行參考分析的。

4 結(jié)論

本文研究的礦井提升機(jī)數(shù)字監(jiān)控器使用PLC控制技術(shù)以及組態(tài)王軟件開(kāi)發(fā)來(lái)代替落后的機(jī)械式行程監(jiān)控器。由于PLC控制提升機(jī)具有自動(dòng)化集成度高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)配合組態(tài)王軟件可以實(shí)時(shí)對(duì)工作現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)督控制，實(shí)現(xiàn)了礦井提升機(jī)的微機(jī)控制。因此，可以大大提高生產(chǎn)效率，減輕工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。該系統(tǒng)自運(yùn)行以來(lái)安全可靠，故障率低，得到了廣泛的應(yīng)用。在煤礦工業(yè)中推廣使用PLC控制技術(shù)，對(duì)實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化，提高生產(chǎn)效率等有著重要的意義。

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