基于PLC的礦用提升機監控系統改進設計

崔文亮

（陽煤集團平定裕泰煤業有限公司，山西陽泉 045200）

0 引言

礦用提升機作為煤礦開采中的重要設備，已在煤礦中得到了廣泛應用，監控系統則成為保證提升機作業安全的重要系統。現有的監控系統大多存在監控精度低、響應速度慢、計算能力差等問題[1]，加上井下環境的惡劣性和設備使用年限相對較長，導致現有的監控系統存在嚴重老化或信號誤報率高等問題，嚴重影響著提升機的作業效率及運行安全。因此，有必要將更加先進的控制技術應用到監控系統中[2]。為此，結合現有監控系統存在問題及PLC控制技術的優勢，開展了基于PLC控制技術的提升機監控系統升級優化研究，并對改進后的監控系統進行了應用測試，由此驗證了改進后的監控系統具有一定的可行性，能更好地保證提升機的作業安全。

1 現有提升機監控系統存在問題

目前，國內煤礦中提升機大多采用的是20世紀90年代的設備，就算使用時間短的設備也有約10年，其自動化和智能化程度相對較低。下面就提升機上的監控系統存在的問題進行分析，具體如下：

（1）現有的監控系統通訊主要采用電纜方式進行連接，存在抗信號干擾能力差、信號傳輸速度慢、網絡冗余功能設計不足、電纜老化嚴重等問題，系統發生較小的故障都可能會使提升機無法正常作業，嚴重影響設備的作業效率[3]；

（2）現有的監控系統存在設備操作、設備監控、故障判斷等方面存在靈活性差、響應不靈敏等問題，且整體具有較大的耗電量，對整個煤礦環境的安全性造成了嚴重的安全隱患；

（3）現有傳感器雖能對提升機中的油溫、油壓、電壓等信號進行數據采集，但大部分傳感器設備存在老化嚴重、信號采集精度低、響應速度慢等問題，時常出現信號誤判現象，這將會對操作人員的判斷造成巨大影響，嚴重時會造成設備及人員的損壞或傷亡[4]；

（4）監控系統的控制方式較為落后，與當下的PLC控制技術相比，存在系統運行速度慢、運算能力弱等問題，系統運算復雜時，現有的系統處理器可能會出現無法分析計算狀況，使監控系統無法準確地對提升機運行狀態進行監控，這也給提升機的作業安全性造成了嚴重威脅[5]。

綜上分析，隨著控制技術、計算機技術的不斷升級和發展，將更加先進的技術應用到提升機監控系統中，實現監控系統的升級優化，已成為提高提升機作業效率及安全的重要方向。

2 監控系統的總體設計

提升機監控系統主要由底層設備層、核心控制層、信息管理層等組成，其中，底層設備層包括了各類傳感器、配電柜、電機、變頻器等，主要負責對提升機中各類信號進行實時采集；核心控制層則主要包括PLC控制器、交換機等，主要負責接收來自底層信號，并通過內部的程序代碼和判斷算法，對信號進行分析判斷，最終通過交換機將處理后的控制命令信號傳輸至上機位管理層；而信息管理層主要負責接收核心層發出的控制命令信號，通過上機位軟件內部程序的故障診斷和分析，向相應功能模塊發出聲光報警、遠程控制及信號顯示等操作，同時，根據需要將信息進行打印、存儲及曲線繪制，以此來實現提升機運行狀態的監控和控制，整個提升機監控系統的結構框架如圖1所示。考慮到提升機監控系統存在一定的復雜性，控制及運算量相對較大，故在監控系統改進設計中，選用了西門子的S7-300系列的PLC控制器作為監控系統的信號收集及處理的工具。而傳感器則配備了速度傳感器、油壓傳感器、油溫傳感器、電壓傳感器、電流傳感器等，分別負責對提升機運行中的提升速度、制動系統油壓、制動系統油溫、控制系統工作電壓及電流等信號的采集；而監控系統中的通訊則采用了CAN總線方式進行通訊，上機位與下機位之間采用了以太網方式進行連接，以此實現監控信號的實時共享和交換。

圖1 監控系統結構框架圖

3 監控系統關鍵分系統設計

3.1 PLC控制器匹配

PLC控制器是整個提升機監控系統的核心部分，也是整個硬件系統的重要組成，能快速完成外界信號的全面接收，并通過內部的程序代碼和計算方法，完成輸入信號的分析處理，并實時向外部發出控制信號[6]。因此，在選用的S7-300系列PLC控制器，提升機中的電壓、電流、油壓、溫度、傳感器信號等信息可通過模擬量輸入接口進行輸入，在PLC內部進行處理后，通過模擬量輸出接口進行控制命令信號的輸出。該PLC控制器的工作電壓平臺設計為24 V直流電壓，CPU采用了CPU 315-2PN/DP型號，可通過循環掃描方式來接收處理輸入信號，并進行相應的邏輯運算、診斷及程序編寫等操作，所配備的32個功能模塊，具有較強的擴展能力。同時，PLC控制器中的數字量輸入模塊則采用了SM321型號，能穩定、快速地將傳感器信號轉為CPU能識別的電平信號，是整個PLC內部的橋梁。另外，PLC控制器中的電源模塊則采用了PS307型號，并進行雙電源模塊的供電配置，可迅速將外部220 V/380 V交流電源轉為24 V直流電源，其工作電流范圍為2～10 A，能較好地滿足系統不同用電的控制需求。所配備的PLC控制器能更好地滿足提升機監控系統的使用需求。

3.2 監控系統電氣控制

在整個監控系統中，存在著諸多電氣元件，而各元件之間需通過專門的控制方式進行連接。目前，針對元件的控制主要有手動控制和PLC遠程控制，其中，手動控制雖在某些程度能節約一定的費用、操作更容易，但存在線路復雜、穩定性較差等問題，導致手動控制經常出現信息誤報等故障問題，且后期檢修時也存在較大的難度。而采用PLC控制器進行控制，能大大提高控制系統的穩定性，系統出現故障的概率明顯降低，安全系數更高，適用于復雜線路的控制。因此，針對提升機的監控系統，則采用了手動和PLC兩種控制方式進行雙重控制，大大提高了系統的靈活性和穩定性。整個監控系統中的電氣控制原理如圖2所示，圖中外部電壓通過整流變壓器后，輸送至變頻調節柜，最終將高電壓轉換為對應的PLC工作電壓、測速機工作電壓及其他電壓平臺，以此完成對用電元件的電壓供電；其中，外部所有元件的信號將會匯總于PLC控制柜中，經過PLC的統一分析處理后，分別對外發出相應的控制命令。

圖2 提升機電氣控制原理圖

3.3 PLC控制程序

結合前文確定的PLC控制器，在完成監控系統相關硬件匹配后，需對其控制程序進行編程設計。由于提升機監控系統相對復雜，運行較為緊湊，故在PLC控制程序設計中，需主要對OB100系統初始化模塊、OB1循環組織塊、故障診斷處理模塊、通訊數據模塊、控制命令模塊等不同方面進行設計，PLC控制程序總體框架圖如圖3所示。

圖3 PLC控制程序框架圖

通訊數據處理程序是PLC控制程序中的一部分。該程序采用了STEP7編程軟件中梯形圖語言對其進行程序編寫，之后編好的程序可向上機位發出按規律變化的電信號數值，上機位軟件通過內部的識別判斷程序，將該數值與設定值進行周期性判斷，若兩數值相同，則允許運行系統的通訊連接，否則將中斷通訊。通訊數據處理模塊的控制程序如圖4所示。而PLC控制器中其他功能程序基本采用統一編程方法進行編寫，這里就不一一贅述。

圖4 PLC通訊數據處理模塊的控制程序圖

4 提升機監控系統應用效果分析

在現有監控系統基礎上，采用PLC控制方式完成了提升機監控系統的改進升級。為進一步驗證改進后的監控系統整體性能，將其在裕泰煤礦中某型號的提升機上進行了應用測試，測試中，主要在現有提升機監控系統基礎上，更換及加裝了相關的PLC控制器、控制程序及相關傳感器和其他設備，開展了近4個月的應用測試。

通過現場測試，得出改進后的監控系統在運行過程中未出現系統不穩定或系統故障等問題，運行狀態良好，對提升機作業中的相關信號監控及顯示更加快速、及時，在系統報警中，也添加了多級故障報警提示，人機界面顯示的相關信號參數也更加全面。在整個測試過程中，提升機未出現較大的故障問題，即使出現了故障問題，也全部在顯示界面中進行了實時顯示，與原有監控系統相比，系統智能程度更高，使提升機故障率降低了約45%，作業人員的勞動強度也減輕了50%左右。據推算，該監控系統在提升機上的應用，一年時間內，將為企業增加約50萬的經濟效益。

5 結束語

為保障提升機作業過程中具有更高的作業效率及安全，對其設備中安裝的監控系統進行升級優化設計，已成為當下煤礦企業重點考慮的問題。因此，重點分析了現有提升機監控系統運行中存在的問題，以此為基礎，開展了基于PLC控制的監控系統改進設計和現場應用測試，測試結果表明：

（1）改進后的監控系統功能更加齊全，性能更加穩定可靠，信號分析處理速度更快；

（2）改進后的監控系統使提升機的故障率降低45%左右，人員的勞動強度減輕50%左右，給企業帶來的經濟效益相當明顯；

（3）改進后監控系統得到了現場人員的一致認可和好評，同意將其進行投入使用；

（4）該研究對提高監控系統綜合性能具有重要作用，能有效提高提升機的作業效率及作業安全。