基于S7-1200 PLC的煤礦架空乘人裝置多段調(diào)速設(shè)計

邵 華（大屯煤電公司徐莊煤礦,江蘇 沛縣 221611）

基于S7-1200 PLC的煤礦架空乘人裝置多段調(diào)速設(shè)計

邵 華
（大屯煤電公司徐莊煤礦,江蘇 沛縣 221611）

摘 要：本文首先介紹編碼器裝置測量實際運行速度的工作原理，并通過S7-1200PLC對實際的速度進行采集和數(shù)值處理，同時完成裝置高中低三段速度調(diào)節(jié)。然后把相關(guān)控制量分別組態(tài)到觸摸屏和上位機上。通過變頻器的多段調(diào)速控制，實現(xiàn)根據(jù)實際負(fù)載情況進行速度的調(diào)節(jié)，同時實現(xiàn)了現(xiàn)場監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制。

關(guān)鍵詞：架空乘人裝置；S7-1200PLC；變頻器；編碼器

0 引言

架空乘人裝置是煤礦井下人員運輸?shù)闹饕ぞ咧唬渲饕δ苁菍崿F(xiàn)人員的輸送，從而縮短上班路上時間的拖延，以及減少人員行進中的體力消耗。經(jīng)過實際的調(diào)研，根據(jù)架空乘人裝置負(fù)載情況可分為三種運行狀態(tài)。滿載：當(dāng)上下班高峰時，人員基本達(dá)到上線人數(shù)或者接近額定個數(shù)，此時運行速度很慢。正常情況：一般情況下，人員不是很多，及正常情況下的運行。空載：一般為了試運行或者維修吊椅，或者用于偶爾有個別人員的乘車情況。根據(jù)以上情況本文設(shè)計，根據(jù)電機基本原理，滿載時通過變頻器給出高頻率輸出，空載時采用低頻率接入運行，正常時則用中間規(guī)定頻率接入運行。同時在上位機和就地設(shè)置三個頻率的轉(zhuǎn)換開關(guān)以及顯示功能。通過本設(shè)計不僅提高滿載運行時的人員輸送效率和節(jié)約空載時電能消耗，并且通過上位機和觸摸屏實現(xiàn)實時運行狀態(tài)監(jiān)控功能。

1 編碼器測速方法及工作原理

本裝置采用的BQH24礦用本安型編碼器是一種旋轉(zhuǎn)增量式編碼器，其原理是通過旋轉(zhuǎn)得到測量的脈沖個數(shù)來轉(zhuǎn)化出速度，所以編碼器測速裝置通過機械設(shè)計與轉(zhuǎn)動輪組成同軸轉(zhuǎn)動裝置，這樣測量到的速度就是鋼絲繩的實際運行速度。

該編碼器是多通道編碼器，在此用其中A相通道，其輸出脈沖是2000個，即每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生2000個脈沖。已知在系統(tǒng)運行時編碼器與托繩輪同步轉(zhuǎn)動，因此有相同的角速度，進而得出脈沖與速度的對應(yīng)轉(zhuǎn)化公式如下[1]。

N：t時間內(nèi)采集的脈沖個數(shù)

t：采集N個脈沖的時間

D：托繩輪的直徑

v：系統(tǒng)運行的實際速度

其中輪子直徑單位為米，采集脈沖時間為秒，得到的速度單位則為米/秒。由上面公式可知：一般先設(shè)定采集脈沖的時間，不宜過長或過短。過長時，當(dāng)出現(xiàn)速度故障時，在一個采樣周期才能報警，這樣潛在的危險很大；過短時，測量速度不夠精確，且測量值變化太快。經(jīng)過調(diào)試在PLC程序內(nèi)設(shè)置采集脈沖時間t=1s。

2 PLC設(shè)計

2.1 高速脈沖端口設(shè)置

本裝置采用西門子S7-1214DC/DC/DC型號CPU作為核心控制器，其自帶14點輸入/10點輸出，在此分配的物理地址為IB0、IB1/ QB0、QB1。經(jīng)過驗證該CPU集成的輸入點讀取頻率已經(jīng)不能滿足此編碼器的脈沖頻率，因此開啟了集成I/O高數(shù)脈沖端口屬性[2]，在此選用輸入點I0.2，其軟件設(shè)置分為三個步驟如下。

（1）打開項目軟件，在設(shè)備組態(tài)上選中CPU，并選擇 “屬性”選項夾，選擇高速計數(shù)器HSC2。

（2）功能設(shè)置，為了完成本系統(tǒng)需要，設(shè)置選取的計數(shù)類型、工作模式、頻率測量周期等具體如圖1所示。

圖1 啟用高速脈沖的軟件功能設(shè)置

（3）設(shè)置輸入起始地址，默認(rèn)尋址地址是1004，在此為了與已用地址不沖突改為996。

2.2 變頻器與PLC的連接和設(shè)置

本系統(tǒng)采用西門子MM440變頻器進行電機的多段調(diào)速，PLC與變頻器的簡要電氣接線示意圖如圖2所示。

圖2 電氣接線示意圖

為了增加可靠性[3]，PLC的輸出與變頻器連接時可以增加三個中間繼電器。當(dāng)DIN1端子與變頻器的24V（端子9）連接時對應(yīng)頻率35Hz，當(dāng)DIN1端子和DIN2端子同時與變頻器的24V（端子9）接通時對應(yīng)頻率是40Hz，當(dāng)三個都連接時，對應(yīng)45Hz，也就是對應(yīng)的高中低檔，滿足滿載、正常、空載需要。

根據(jù)電機參數(shù)以及多段調(diào)速等要求變頻器主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。

2.3 程序設(shè)置

本系統(tǒng)PLC硬件組態(tài)和軟件編程在TIA Portal V13設(shè)計實現(xiàn)。在硬件組態(tài)時，設(shè)置啟動CPU高速脈沖計數(shù)點I0.2屬性，軟件平臺編程一般采用模塊的方式，在編碼器測速的這個模塊中，公式一對應(yīng)程序如圖3所示。

表1

圖3 PLC數(shù)據(jù)運算程序段

對應(yīng)上述公式可知，程序段2中MUL功能塊中的IN2是根據(jù)現(xiàn)場輪子直徑以及單位換算得出的數(shù)據(jù)，DIV功能塊中的IN2是編碼器的額定輸出脈沖值2000。顯然最終MD4304得出的值即是以m/s為單位的測量速度大小。

另外，程序內(nèi)還要設(shè)置高于或低于MD4300值的20%作為報警的最大上下界限，顯然不是參考MD4304的20%，并在此范圍內(nèi)進行高中低檔的調(diào)速控制，即在整個過程中，速度保護是投入的，彼此之間的數(shù)值關(guān)系需要現(xiàn)場進行精確調(diào)試，把上下線的設(shè)置和高中低檔頻率的設(shè)定進行綜合考慮。

3 觸摸屏顯示

觸摸屏選用型號為PT070-4BF-T1S，其主要實現(xiàn)運行信號以及參數(shù)的現(xiàn)場監(jiān)視和設(shè)置。PLC與觸摸屏的以太網(wǎng)通信連接，在PM Designer軟件上設(shè)置通信途徑，并組態(tài)相關(guān)功能靜態(tài)主畫面如圖4所示。

靜態(tài)畫面主要的組態(tài)的對象有，裝置的操作方式，工作方式油壓站相關(guān)參數(shù)，以及五大基本保護[4]，以及報警表格，把每次的報警以表格形式顯示出來，同時記錄每次的啟動和停車原因，并顯示當(dāng)前運行和剩余運行時間等。有分別組態(tài)速度上下線，保護屏蔽等畫面。是的調(diào)試更加靈活。

圖4 觸摸屏組態(tài)靜態(tài)畫面

4 上位機顯示

上位機顯示主要是為了實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。使得調(diào)度室能夠時刻準(zhǔn)確掌握裝置運行狀況。本設(shè)計上位機開發(fā)是在WINCC7.2版本的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，可以直接與S7-1200PLC進行數(shù)據(jù)交換，避免了通過OPC的繁瑣過程。本部分不僅組態(tài)系統(tǒng)具體的功能，還通過數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對故障的記錄和查詢等功能。同時集合程序?qū)崿F(xiàn)高中低檔調(diào)節(jié)的優(yōu)先級控制。

5 結(jié)語

本文詳細(xì)闡述了利用編碼器測速的工作原理和在程序中的數(shù)據(jù)處理，同時介紹與變頻器的連接，實現(xiàn)三級調(diào)速，主要解決在上下班高峰時人員運輸效率降低的情況。最后在觸摸屏和上位機上顯示，實現(xiàn)就地和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。目前隨著運輸人員個數(shù)的不確定性，要求更高精確和經(jīng)濟的控制。如果在PLC中調(diào)用PID功能模塊[5][6]，這樣既搭建系統(tǒng)簡單又能實現(xiàn)裝置優(yōu)化控制，從而實現(xiàn)節(jié)能調(diào)速控制，因此在架空乘人裝置自動控制系統(tǒng)利用PID電機調(diào)速原理具有一定的現(xiàn)實意義和可操作性。

參考文獻：

[1]高俊峰.基于PLC的礦井架空乘人裝置自動控制系統(tǒng)設(shè)計[J].煤炭技術(shù),2014（09）:226-228.

[2]西門子（中國）有限公司.深入淺出西門子S7-1200PLC[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2009.

[3]向曉漢.PLC西門子PLC高級應(yīng)用實例精解[M].北京：機械工業(yè)出版社,2010.

[4]高俊峰,雷天華,金敏.S7-1200 PLC的煤礦架空乘人裝置自動控制系統(tǒng) [J].煤礦機械,2014（11）:224-226.

[5]王仁祥，王小曼．西門子S7-1200 PLC編程方法與工程應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社,2011.

[6]廖常初.S7-1200 PLC編程及應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010.

作者簡介：邵華（1976-），男，江蘇沛縣人，本科，工程師，主要從事：煤礦自動化技術(shù)應(yīng)用工作。