冗余PLC控制的礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡雪雪

0 引言

礦井提升機(jī)是煤炭井下運(yùn)輸?shù)淖詈蟓h(huán)節(jié)，隨著嵌入式技術(shù)、電力電子技術(shù)、通訊技術(shù)等的發(fā)展，提升機(jī)電控系統(tǒng)逐漸運(yùn)用新一代PLC控制技術(shù)替代繼電器和外圍電路、變頻器替代交流接觸器，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)控制和調(diào)速[1]。提升機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中，有時(shí)提升機(jī)故障會出現(xiàn)在PLC硬件或外圍器件上，導(dǎo)致提升機(jī)停運(yùn)給煤炭生產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失。故本文開發(fā)一套冗余PLC控制的礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)[2-3]，采用兩套西門子S7-400 PLC來實(shí)現(xiàn)硬件的雙機(jī)熱備，并通過軟件編程實(shí)現(xiàn)雙PLC故障的冗余切換，確保提升機(jī)安全可靠運(yùn)行。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

冗余控制是指系統(tǒng)在工作中發(fā)生故障時(shí)，通過備用關(guān)鍵設(shè)備使控制系統(tǒng)快速啟動，從而維持系統(tǒng)的正常工作[4]。提升機(jī)在運(yùn)行過程中，一旦PLC控制器出現(xiàn)故障，提升機(jī)將停運(yùn)，進(jìn)而影響煤炭生產(chǎn)，故冗余PLC設(shè)計(jì)對故障率降低及可靠性提高至關(guān)重要。

圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

冗余PLC提升機(jī)控制系統(tǒng)由冗余PLC、上位機(jī)、變頻器、觸摸屏、深度指示器、工頻電阻、提升系統(tǒng)設(shè)備、檢測傳感器等組成。其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

主要工作過程：首先，采集安裝于電機(jī)軸、滾筒主軸的軸編碼器的脈沖，運(yùn)用PLC的高速計(jì)數(shù)模塊進(jìn)行計(jì)數(shù)并經(jīng)過PLC邏輯運(yùn)算處理后，形成按行程給定的運(yùn)行曲線；其次，運(yùn)用PLC的A/D模塊將電流互感器和壓力傳感器采集的現(xiàn)場電機(jī)電流、液壓站和潤滑站的油壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并上傳到上位機(jī)來實(shí)現(xiàn)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控；最后，運(yùn)用PLC的數(shù)字量輸入模塊采集的提升系統(tǒng)的各種開關(guān)量，判斷并校正提升機(jī)和各外部設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)來保證提升機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。正常工作時(shí)，由于備用PLC的外部控制線路和主控PLC一致，故主控PLC運(yùn)行，備用P LC閉鎖全部輸出信號，僅當(dāng)主控P LC發(fā)生異常時(shí)，開放備用P LC輸出閉鎖，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)雙P LC之間的無擾動切換。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與功能

系統(tǒng)的主/備PLC均選用S7-400PLC。PLC主要完成提升系統(tǒng)的信號采集、處理、上傳等，PLC依據(jù)輸入的外部數(shù)字量和模擬量，完成相關(guān)邏輯計(jì)算，控制提升機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)各種故障的判斷及數(shù)據(jù)上傳。

控制系統(tǒng)需配置的基本模塊：兩個(gè)電源模塊PS407、兩個(gè)CPU模塊CPU412-2DP、兩個(gè)高速計(jì)數(shù)模塊FM450-1、若干數(shù)字量輸入模塊SM421、若干數(shù)字量輸出模塊SM422、兩個(gè)通訊模塊CP443-1、若干模擬量輸入模塊SM431、若干模擬量輸出模塊SM432等。

觸摸屏選用西門子TP170A。將PORT1端口與主控PLC連接，實(shí)現(xiàn)觸摸屏與主控PLC通過RS485進(jìn)行通信；將POTR2端口與主控PLC和備用PLC連接，實(shí)現(xiàn)自由口通信功能，并將主控PLC的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給備用PLC，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測與顯示功能。變頻器選用功能強(qiáng)大的西門子6ES70，可實(shí)現(xiàn)多級變頻調(diào)速。

冗余PLC提升機(jī)控制系統(tǒng)為保證提升系統(tǒng)的可靠性和改善調(diào)速方式的單一性，原工頻電阻控制電路被系統(tǒng)保留，一旦變頻器故障或需要檢修，則立即運(yùn)行工頻電阻來調(diào)節(jié)提升機(jī)的速度，保證平穩(wěn)運(yùn)行。PLC控制系統(tǒng)主要完成以下功能：

（1）完成主令操作控制、發(fā)送指令及控制提升機(jī)電控系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

（2）執(zhí)行操作程序、確定提升方向及生成提升信號。

（3）控制液壓制動系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)松閘或抱閘。

（4）實(shí)現(xiàn)行程給定功能、提升容器的位置控制及對箕斗位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和顯示。

（5）檢測提升機(jī)運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并上傳。

（6）將PLC外部輸入的實(shí)時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)比較，編程判斷提升機(jī)實(shí)際故障部位。

3 軟件設(shè)計(jì)

圖2主控程序流程圖

本系統(tǒng)軟件程序由主控程序、通信與冗余PLC故障切換子程序、故障處理子程序、速度校驗(yàn)子程序組成。主控程序的功能是完成初始化、同步校正、提升運(yùn)行控制、啟停等。通信與冗余PLC故障切換子程序的功能是檢測主控PLC的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)和數(shù)據(jù)上傳。并在主控PLC故障時(shí)，自動轉(zhuǎn)換至備用PLC運(yùn)行，進(jìn)而達(dá)到雙機(jī)熱備的切換目的。故障處理子程序功能是完成提升機(jī)過卷、超速和過載保護(hù)、監(jiān)控運(yùn)行速度和位置、監(jiān)控變頻器故障等，當(dāng)一有故障出現(xiàn)，就運(yùn)行相應(yīng)故障處理子程序，控制安全回路抱閘及停車，并上傳上位機(jī)報(bào)警及顯示故障信息。速度校驗(yàn)子程序?qū)S編碼器產(chǎn)生的脈沖通過PLC高速計(jì)數(shù)模塊進(jìn)行計(jì)數(shù)來測速，并同時(shí)對兩套軸編碼器進(jìn)行同步校驗(yàn)。主控程序流程圖如圖2。

圖3上位機(jī)提升機(jī)組態(tài)圖

系統(tǒng)的上位機(jī)界面設(shè)計(jì)，選用西門子SIMATICWinCC5.0制作，對提升機(jī)運(yùn)行時(shí)的各種狀態(tài)進(jìn)行組態(tài)顯示，將在觸摸屏和上位機(jī)上顯示整個(gè)提升過程和提升參數(shù)，實(shí)現(xiàn)觸摸屏、上位機(jī)與提升機(jī)電控系統(tǒng)運(yùn)用工業(yè)以太網(wǎng)通信。上位機(jī)提升機(jī)組態(tài)如圖3。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的冗余PLC控制的礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)，具有完善的硬件和軟件，電控系統(tǒng)采用兩套PLC互相冗余，變頻和工頻兩種調(diào)速方式，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)運(yùn)行過程中過卷、超速、過載等故障的檢測與保護(hù)，改善了提升機(jī)控制系統(tǒng)一旦故障嚴(yán)重影響生產(chǎn)及調(diào)速方式單一的問題，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，并滿足煤礦井下安全運(yùn)輸?shù)囊蟆?shí)際運(yùn)行表明，改造后的系統(tǒng)進(jìn)一步提高了提升機(jī)電控系統(tǒng)的安全可靠性及準(zhǔn)確性，能夠使礦井提升機(jī)更平穩(wěn)運(yùn)行。