現代礦井提升機信號系統的設計與研究

魯 卿

(江蘇科技大學電子信息學院，江蘇 鎮江212003)

以往礦井提升機都是傳遞模擬信號，簡單的開關信號以繼電器的吸合來表示，沒有閉鎖與聯鎖的機構，受環境干擾大，經常出現發錯信號和提升錯誤方向的事故。信號系統沒有存儲記憶功能，事故發生后無法進行追查，而且信號系統控制裝置元件多，體積大，耗電多，可靠性差［1］?，F代礦井提升機信號系統采用目前流行的PLC 為控制核心，配合PLC 冗余技術，采用LCD 液晶屏進行顯示，具有漢字顯示，數字存儲，故障診斷，安全閉鎖等特點，大大提高了信號系統的可靠性與安全性，是現代提升機信號系統的發展趨勢。

1 系統組成

現代礦井提升機信號系統主要由車房顯示柜，上井口操作顯示臺，下井口操作顯示臺3 個部分組成。車房顯示柜放在司機操作間內，內裝2 臺組態成冗余系統的PLC，這2 臺PLC 是整個信號系統的管理站，負責對提升機工作中的各種狀態參數進行分析和管理;上、下井口操作顯示臺放在上、下井口操作室內，其核心遠程I/O 站ET200M 是整個信號系統的工作站，負責對各信號的采集與發送［2］。

2 系統硬件設計

2.1 顯示柜設計

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

(2)上井口操作顯示臺設計。上井口操作顯示臺由遠程I/O 站ET200M、LCD 顯示屏、打點控制按鈕、語音通訊模塊、數字輸入模塊、數字輸出模塊、安全閉鎖結構構成。上井口操作顯示臺主要完成上井口的信號打點和顯示以及語音提示，包括提人、提物、檢修、慢上、慢下、快上、快下、急停等漢字及數字。還有檢測各種閉鎖信號，包括安全門、阻車器、搖臺信號，超重信號等，以及對下井口的信號檢測，同時還有向下井口發送要罐信號，轉發下井口信號至絞車房的功能。

(3)下井口操作顯示臺設計。下井口操作顯示臺由ET200M 遠程I/O 站點、LCD 顯示屏、打點控制按鈕、語音通訊模塊、數字輸入模塊、數字輸出模塊、安全閉鎖結構構成。下井口操作顯示臺主要完成下井口打點信號的顯示以及語音提示，包括提人、提物、檢修、慢上、慢下、快上、快下、急停等漢字及數字。還有檢測各種閉鎖信號，包括安全門、阻車器、搖臺信號，超重信號等［4］，以及對上井口的信號檢測，同時還可以確認上井口要罐的信號或發出要罐指令。

2.2 系統通訊設計

絞車房信號箱與上、下井口信號箱之間采用PROFIBUS－DP 網絡進行通訊。PROFIBUS －DP 網絡的組建非常方便，只需1 對屏蔽雙絞線分別連接各設備的DP 接口即可完成。PROFIBUS －DP 的組成如圖1 所示。

圖1 系統通訊示意Fig.1 Diagram of system communication

PROFIBUS－DP 專門用于工業級自動控制系統和設備的分散通信，具有高速低成本的特點，可取代價格昂貴的24 V 或0 ～20 mA 并行信號線［5］。PROFIBUS－DP 網絡具有0.009 6 ～12 Mbps 的通訊速度，使提升機信號系統的響應時間大大縮短。PROFIBUS－DP 網絡具有抗干擾能力強，信號穩定，鋪設快捷等優點，可支持126 個從站或32 個主站，這對整個信號系統的擴充、多水平信號系統的擴建提供了非常大的便利。

2.3 液晶顯示設計

目前大部分提升機信號系統采用的是7 段碼顯示，顯示內容只能是數字，顯示單一，不夠豐富。而采用MCU 控制的LCD 顯示屏，顯示內容可自由增減，顯示位置也可以根據需要自由排列，不僅可以顯示數字，還可以顯示漢字，符號等。LCD 液晶屏使用的是TTL 電平，可以和單片機的管腳直接連接，無需其他驅動芯片，因此LCD 液晶屏的顯示更加可靠［6］。

2.4 PLC 與單片機接口設計

由于PLC 輸出電壓為24 V 無法直接輸送給89C52 單片機，因此需要進行電壓匹配。圖2 為PLC與單片機連接示意圖。在此采用PS2801 光電耦合模塊。本設計中光耦的原理是把高壓側的24 V、0 V 電平通過發光二極管變成亮、滅的光信號，再通過低壓測的光敏二極管把亮、滅的光信號轉換成5 V、0 V 信號，這樣即可把PLC 與單片機的信號匹配在一起。光電耦合器可以阻礙高壓和低壓之間電的聯系，高壓測的大電流不會對低壓測造成影響，起到良好的隔離和抗干擾的作用［7］。

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

2.5 語音通訊設計

語音通訊模塊由與單片機連接的ISD4004 －8 模塊和功率放大器LM386M 模塊構成。連接方式如圖3 所示。

圖3 語音模塊連接示意Fig.3 Diagram of connection of voice module and MCU

語音通訊采用ISD4004 －8 模塊，單片錄放時間480 s，芯片采用CMOS 技術，內含振蕩器、防混淆濾波器、平滑濾波器、自動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技術，每個采樣值直接存貯在片內FLASH 存貯器中，因此能夠非常真實，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，難以驅動揚聲器發聲，因此采用LM386 功率放大器以提高揚聲器的驅動能力。其工作原理為當MCU 得到PLC 的信號后，單片機根據不同的信號尋找ISD4004 的存儲地址并調用播放程序播放。例如，當PLC 打點選擇“2”時LCD 屏幕上顯示“2 上行”并且語音模塊自動播放“慢速上行，注意安全”。語音播放結束后等待下一次發車信號。

2.6 冗余系統的構成

S7 －300 系列PLC 可以組態軟件冗余系統，其目的是防止PLC 故障而造成整個生產線停運［9］。其結構如圖4 所示。軟件冗余系統由2 臺PLC 315 －2DP，2 塊CP342 －5 擴展卡，2 臺帶IM153 －2 接口的冗余I/O 站ET200M 和若干雙絞線組成。2 臺PLC中一個為主PLC(設為主站)，一個為備用PLC(設為從站)，主、備PLC 之間通過2 個CP342 －5 擴展卡組成的PROFIBUS－DP 網絡同步數據。主、備PLC 在系統運行時同時在線，但只有主PLC 進行數據處理，處理的內容同時分享給備PLC。當主PLC 因故障停機時，備用PLC 自動切換并緊接著主PLC 出錯時所運行的程序繼續運行，保證系統能繼續運行而不會停止［10］。

圖4 冗余系統的組成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來的信號，司機根據顯示信號來操作提升機以完成工作任務。根據煤礦安全規程，上、下井口發出相同的信號才可發送至絞車房，此時絞車房會顯示相應的數字和漢字并伴隨有語音提示，閉鎖信號接通絞車控制回路，司機可以發車。若上井口與下井口信號不一致，則絞車房不顯示任何信號，司機無法發車［11］。

3.2 上、下井口控制功能

只有當安全門、阻車器、搖臺全部到位后，下井口才可向上井口發送信號。當井底做好開車準備時，下井口發出開車信號傳送到上井口，表明已做好開車準備。上井口也可向下井口發出詢問信號，表明上井口已做好發車準備。“急停、停車、檢修”按鈕按下時上、下井口，絞車房全線顯示并聲光報警。

3.3 閉鎖功能

(1)上、下井口設有提升機位置檢測，保證不會發錯信號以至于提升機過卷，當籠罐在井底時只能上行而不能下行。同樣，當籠罐在井口時只能下行而不能上行。

(2)上、下井口發出信號經對方確認后方可轉發至絞車房，司機可發車，否則絞車房安全回路閉鎖無法發車。

(3)上、下井口發出“急停”信號后，無需上、下井口確認即可傳送至絞車房，可直接命令電控系統抱閘停車。

(4)上、下井口的安全門，阻車器未到位時，上、下井口無法發出開車信號，當所有安全措施到位后即可發送［12］。

4 軟件設計

4.1 PLC 軟件設計

PLC 軟件設計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、轉發程序FC3、報警程序FC4、冗余程序等。主程序主要功能是調用各種功能塊，使系統能夠按要求正常運行［13］。程序流程如圖5 所示。具體操作步驟:①初始化程序OB100 的功能是設置系統參數，給系統賦初值;②主程序OB1 的功能是按需調用功能塊完成相應功能，循環運行;③安全閉鎖程序FC1 的功能是檢測安全門、阻車器、搖臺是否到位，如果沒有到位則無法打點;④提升限制程序FC2 的功能是當提升長材或者檢修時，打點信號只能發慢行;⑤轉發程序FC3 的功能是對比上井口和下井口的輸入信號，只有信號相同時才可以發送至絞車房;⑥報警程序FC4的功能是當運行過程中安全設備突然打開，或者遇到急停情況時，絞車房會有聲光報警，并自動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 冗余程序的設計

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

軟件冗余方式只需要成對的處理器，無需再添加其他設備，在處理器之間通過軟件來進行數據交換，組成比較經濟，構成十分靈活，提升機信號系統選用軟件冗余方式是非常經濟而且有效的。

5 結 論

本系統采用西門子公司的S7 －300 系列CPU 和遠程I/O 模塊ET200M，他們之間采用PROFIBUS －DP 通訊方式，大大提高了信號的傳輸距離，減少了信號的干擾，符合井下通訊的需要。提升機打點信號采用LCD 屏幕顯示，可顯示數字，漢字等信息，方便了操作人員的信號判斷，克服了原有7 段碼的缺點。該系統可儲存10 次信號操作，給后期檢修提供了方便。本系統還采用了PLC－300 的軟冗余技術，大大加強了系統的安全性和可靠性。PLC 信號系統結構簡單，實現方便，能夠有效地減少和預防礦井提升機的安全事故，具有許多傳統提升機無法取代的特點。

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