S7-200 PLC在礦用主井裝卸載控制與提升信號裝置中的應用

鄒　萍，徐崟岳，黃阿芹，黃晨曉

（常熟理工學院電氣與自動化工程學院，江蘇常熟215500）

S7-200 PLC在礦用主井裝卸載控制與提升信號裝置中的應用

鄒萍，徐崟岳，黃阿芹，黃晨曉

（常熟理工學院電氣與自動化工程學院，江蘇常熟215500）

摘要：礦井中的裝、卸載設備是用于礦井中煤料運輸、上下人員、材料運送等工作的重要設施，其控制系統及提升信號發送裝置的可靠運行直接關系到煤料運送的安全生產.本文以S7-200 PLC為控制核心設計了主井中裝、卸載控制與提升信號系統，各站間通過發送不同的脈沖代表不同的動作，用軟件程序檢測比較保證系統中裝、卸載信號發送與接收的一致性.該控制系統所用網絡設備資源少，程序設計簡單、實用，在中小型煤礦中得到了廣泛的應用.

關鍵詞：礦用裝卸載控制；提升信號裝置；可編程控制器

礦用裝卸載控制系統由用于運煤的主井裝卸載控制與提升信號裝置和用于上下人員、運送材料設備的副井多功能提升信號裝置構成.裝卸載控制系統能否可靠運行直接關系到煤礦生產的安全，而提升信號裝置發出命令的可靠性和準確性是裝卸載控制系統可靠運行的重要保證.目前在大中型礦井裝卸載控制與信號裝置系統中，一般以S7-300或S7-400等中大型PLC作為控制器，用光纖進行通信.對中小型礦用企業的裝卸載控制系統而言，若采用這樣的控制器，存在硬件資源配置多，功能不能充分利用，成本高，使用復雜的問題.本文采用S7-200 PLC設計了中小型礦用企業的主井裝卸載控制系統，應用S7-200 CPU 224對裝載站、卸載站及絞車房的運行進行控制，通過一根電纜來傳遞脈沖信號，從而構建各站之間的通信聯系，簡單地運用編制PLC控制程序來保證系統中裝、卸載信號發送與接收的一致性.該系統既減少了網絡設備資源的配備，又使控制系統應用簡單、經濟，在中小型煤礦控制系統中得到廣泛應用.

1　主井裝卸載控制與提升信號系統的設計方案

主井裝、卸載控制與提升信號發送裝置主要包括裝載控制系統、卸載控制系統以及提升信號處理系統，三者之間既彼此獨立，又相互關聯.裝載控制系統安裝在井下裝載站，煤流經過給煤機、帶式輸送機進入定量斗，定量斗下方安裝了一個液壓測重定量裝置，當檢測到裝載重量達到設定重量時，液壓測重定量裝置通過傳感器向裝載控制系統發出信號，停止裝載工作，然后打開定量斗將煤裝于箕斗內，完成裝煤過程［1］.卸載控制系統安裝于井口卸載站，控制煤從箕斗中自動卸載到煤倉，卸載完成后綜合裝載信號向絞車發出可以提升信號.提升信號處理系統安裝在井口絞車房，接收裝、卸載控制系統發來的信號，經比較相同后，發出最終的提升信號.

裝、卸載控制有自動、手動，點動3種方式，根據運行要求可以選擇不同的方式.絞車房的計算機上安裝有組態軟件，主要用以監控裝載、卸載運行的全過程，并對當前故障的原因進行記錄.該主機通過通信模塊實現與遠程PLC之間的通訊連接，實現對裝、卸載系統的控制和監視.

1.1裝載站的裝煤控制過程

本系統裝載站中有左右兩個定量斗、兩個箕斗，兩者交替裝煤、運煤.下面以左定量斗加煤為例說明其控制過程：

（1）右箕斗上提，且左定量斗為空載狀態，先開左皮帶機，然后再開左給煤機，為左定量斗加煤.皮帶機在空載時開啟可以減小電機損耗.

（2）定量斗下方有重量傳感器，可以實時把加煤的重量以模擬量（DC 4～20 mA）電信號的形式輸入到PLC中，經過PLC的處理把數據輸出顯示，以供工作人員參考.

（3）當左定量斗滿載或時間到，左給煤機關閉，接著關閉皮帶機.皮帶機后關可以把皮帶上的煤卸掉，保證皮帶機下次在空載狀態下啟動.

1.2閘門的開關控制過程

本設計中定量斗閘門的驅動方式是氣動的，默認閘門處于關閉狀態.

（1）當需要閘門保持打開狀態時，PLC輸出高電位；當PLC控制點輸出為低電平時，閘門自動回復到初始狀態，即自動關閉.

（2）閘門有右定量斗和左定量斗的兩個閘門.但是按鈕只有閘門開和閘門關，程序自動判斷哪一邊的閘門需要開關.在右箕斗到位時，自動打開的閘門只能是右定量斗的閘門，裝完煤后相應關閉右定量斗的閘門.左定量斗閘門的開關同理.

圖1　主井卸載控制與提升信號

圖2　副井多功能提升信號裝置

2　控制系統的網絡配置及實現

本礦用主井裝、卸載控制與提升信號裝置中應用了3套S7-200系列CPU224 PLC，分別安裝在主井井口絞車房、井下裝載站和井口卸載站，它們分別起著信號識別、傳輸和自檢等作用，3套裝置通過電纜接入MPI網絡，組成一套完整的信號系統網絡.

2.1網絡結構和配置

圖3為系統網絡結構圖.系統采用多點通信（MPI）方式.絞車房裝有組態軟件的上位機作為主站，通過CP5611通信卡與SIMATIC網絡之間連接通訊，從而實現對裝卸載系統的控制和監視，絞車房、裝載站、卸載站的S7-200 PLC作為從站通過EM277接入整個網絡.

圖3　系統結構圖

根據“煤礦安全規程”的要求，裝載站的提升信號不能直接發送給絞車房（停車、告警信號除外），絞車房的信號也不能直接發送給裝載站，需經過卸載站的轉發，信號傳輸不僅要穩定、準確，還要考慮到外界因素對信號的干擾問題［1］.為了提高信號傳輸的質量，系統采用兩種通訊方式：一種方式是裝載站的打點信號由PLC通過電纜直接發送給卸載站，經卸載站轉發給絞車房（轉發式）；另一種方式是裝載站、卸載站、絞車房的各種信號由S7-200擴展模塊EM277通過CP5611卡與絞車房上位機的組態軟件進行通訊（直發式）.

2.2裝、卸載信號的發送與接收

在礦井中按下提升信號按鈕的動作俗稱打“點”，按下幾號按鈕就是打幾號“點”，通常以1，2，3，4，5不同的點數來表示停止、上提、下放、慢上、慢下這5種運行信號.在礦井的實際生產中，經常會出現打錯點——即井下與井口發出不一樣的提升信號，這嚴重影響著礦井的生產安全，因此提升系統的難點之一就是解決這一問題.在本系統程序中以不同的脈沖次數來區別不同的打點信號.在井下裝載站、井口卸載站和絞車房的3個信號箱之間都以脈沖信號進行通訊，并且在發出脈沖信號的同時，各信號箱中的數碼管顯示脈沖個數，音響也會發出相同數目的振鈴信號.除“1”號停車信號外（停車信號通過硬件電纜直接送到絞車房），裝載站發出的其他任何信號都從同一個輸出點（Q0.5）以對應數目的脈沖由電纜先發給卸載站，再轉發給絞車房.卸載站是以裝載站打“點”為依據，若打相同的“點”，則卸載站將信號轉發給絞車房，且將自身的信號也發送出去.絞車房在判斷接收到的兩個信號相同時，即發出開出信號；若卸載站的打點信號與裝載站不同，則卸載站對裝載站信號不進行轉發，且發出報警信號，信號工馬上就能發現自己打錯了點，這樣大大增強了系統對信號的自診斷能力.

以下裝載站手動控制方式中的上提信號“2”為例解析脈沖數的產生，見圖4.在手動工作模式下，上提按鈕I0.6按下時的上升沿，把數字“2”存入存儲器VW210（VW210用于存儲提升信號），在顯示板上的數碼管顯示“2”，并且輸出兩個脈沖.信號脈沖的產生是通過兩個定時器T57、T58和一個計數器C1來完成的，定時器的預置值分別為400，200 mS，計數器的預置值是VW210，這樣就可以發送2個周期為0.4 S的脈沖，脈沖波形圖如圖5所示.

圖4　上提信號的產生

圖5　發送的脈沖信號

這里正是利用了裝載站信號先發送到卸載站，再轉發給絞車房，由卸載站進行自檢這一方法，保證了三者之間信號的正確傳遞.本系統3套PLC相互之間簡單地用一根電纜傳遞脈沖信號，不需要復雜的通信，就解決了一個有可能嚴重影響生產安全的問題.不用額外添加其他硬件設備，降低了成本，同時又滿足了安全性、可靠性的要求.

2.3絞車房中裝、卸載信號的接收及開車信號的發送

當絞車房接收到來自裝載站和卸載站的信號后，只有信號一致（即絞車房接收到的裝載站和卸載站發來的脈沖數目相等）且不是停車信號，絞車房控制柜才有動作，同時在數碼管上顯示信號代碼并發出相同數目振鈴信號.否則，絞車房控制柜無動作，數碼管仍顯示停車.這是為了進一步確保卸載站打的“點”跟裝載站的一致（即雙方進行相同的操作），使系統運行更安全、穩定.

圖6所示為絞車房PLC的信號比較處理流程，裝載站和卸載站發來的打點脈沖信號的個數分別存入VW10和VW12，當它們相等且不等于1（“1”為停車信號）時，絞車房可發出對應的開車信號并通過音響提示，且絞車房控制柜上的數碼管也會顯示相對應的數字，提升機司機就可根據信號開車.

圖6　絞車房信號的接收與發送流程

3　結束語

基于西門子PLC設計的礦用主井裝卸載控制與提升信號裝置控制系統，利用軟件程序來保證提升信號的準確傳遞，使得整個系統的可靠性、安全性都得到了較大的提高.本系統已獲得了專利.運用組態王和PLC進行實時通訊，速度快、可靠性高、運行穩定、調節靈活，組態王開發簡單，結合S7-200 PLC良好的開放性和兼容性，可建立多種實時監控系統，提高工業自動化水平［2,3］.

參考文獻：

［1］張志. PLC在煤礦生產中應用［J］.煤炭技術，2009，28（3）：40-41.

［2］西門子. SIMATIC S7-200可編程序控制器［Z］.北京：西門子公司，2014.

［3］亞控公司.組態王使用手冊［Z］.北京：亞控公司，2013.

Application of Siemens S7-200 Production in Mine Loading-unloading Control and Signal Device

ZOU Ping，XU Yinyue，HUANG Aqin，HUANG Chenxiao
（School of Electrical and Automation Engineering, Changshu Institute of Technology, Changshu 215500, China）

Abstract：This paper introduces the application of Siemens S7-200 PLC in mine loading-unloading control and signal device. It focuses on the structural components, the function and the unique control methods of the system. The control system ensures the project safety, credibility and accuracy.

Key words：mining loading-unloading control；signal device；PLC

中圖分類號：TP273

文獻標識碼：A

文章編號：1008-2794（2016）02-0060-04

收稿日期：2015-10-20

基金項目：江蘇省自動化類重點專業建設項目“基于《PLC控制技術》的遞進式實踐教學方法研究”（ZSZY03-2-02）

通信作者：鄒萍，實驗師，工程碩士，研究方向：電氣自動化控制，E-mail：zouping97@163.com.