基于Profibus－DP現(xiàn)場總線的礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)

成夢玲 龐科旺 司玉華

(江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院)

礦井提升機(jī)在礦上擔(dān)負(fù)著運(yùn)輸?shù)V石、設(shè)備和礦山人員的任務(wù)，是礦山的主要設(shè)備之一，它的可靠性和安全性對礦山的生產(chǎn)起著重要的作用，目前我國大多數(shù)提升機(jī)采用繼電器－接觸器控制方式，這種系統(tǒng)控制繁瑣、安全性低并且效率低，直接影響到礦山生產(chǎn)。

當(dāng)今社會(huì)的計(jì)算機(jī)、通信及智能控制發(fā)展越來越快，研究現(xiàn)場總線在礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用是解決提升機(jī)控制系統(tǒng)問題的重要途徑?，F(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用，比傳統(tǒng)模擬信號控制的系統(tǒng)具有更高的數(shù)字化和智能化的特點(diǎn)，使系統(tǒng)可靠性和準(zhǔn)確性都有所提高，其中Profibus－DP現(xiàn)場總線［1］是全數(shù)字化、專為自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的通信網(wǎng)絡(luò)，使用它可以將系統(tǒng)中分散的設(shè)備進(jìn)行集中管理，提高數(shù)據(jù)傳輸率，并且采用1條電纜線掛接多個(gè)設(shè)備的形式，不僅便于系統(tǒng)的擴(kuò)展，還可節(jié)省了設(shè)備的安裝、維護(hù)。系統(tǒng)采用主從式的配置完成數(shù)據(jù)通訊，主站與從站都選用西門子的S7－300 PLC，通過Profibus現(xiàn)場總線完成PLC的通訊以及與上位機(jī)的通訊，因此，Profibus－DP現(xiàn)場總線在礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用將使系統(tǒng)更加簡便、安全與可靠。

1 Profibus－DP總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

礦井提升機(jī)采用Profibus－DP現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)［2］，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示，系統(tǒng)可分為管理層、控制層和設(shè)備層，各個(gè)層次介紹如下。

圖1 提升機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

(1)管理層。由工控計(jì)算機(jī)組成，通過設(shè)備層、控制層將現(xiàn)場信息送到管理層進(jìn)行監(jiān)控，使系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控提升機(jī)的狀態(tài)、報(bào)警顯示等。

(2)控制層。由PLC1與PLC2組成冗余系統(tǒng)，PLC1實(shí)現(xiàn)行程控制，PLC2實(shí)現(xiàn)控制保護(hù)，它們利用DP端口，通過屏蔽雙絞線連接，構(gòu)成Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集并向管理層發(fā)送相關(guān)信息，同時(shí)執(zhí)行設(shè)備層的控制命令、系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定。

(3)設(shè)備層。由變頻器、信號系統(tǒng)PLC以及現(xiàn)場信號輸入設(shè)備組成，它們作為系統(tǒng)的從站，完成信號的采集。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)包括上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)和信號系統(tǒng)組成，各個(gè)系統(tǒng)介紹如下。

(1)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。以上位機(jī)為核心，監(jiān)控現(xiàn)場工作狀態(tài)，通過上位機(jī)從現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺藱C(jī)界面中顯示出來，顯示包括系統(tǒng)狀態(tài)、速度曲線、當(dāng)前故障報(bào)警、故障記憶等，并且統(tǒng)計(jì)提升機(jī)的提升量，產(chǎn)生報(bào)表。上位機(jī)在系統(tǒng)中起到監(jiān)視控制整個(gè)提升機(jī)系統(tǒng)工作過程的作用。

(2)主控系統(tǒng)。主控系統(tǒng)由控制PLC和控制保護(hù)PLC構(gòu)成的冗余系統(tǒng)組成，都采用西門子S7－300 PLC，控制PLC作為行程控制系統(tǒng)，完成提升機(jī)系統(tǒng)的通訊控制、信號處理及行程控制，產(chǎn)生S形速度給定曲線;控制保護(hù)PLC作為提升機(jī)操作保護(hù)系統(tǒng)，根據(jù)外部輸入的模擬量、數(shù)字量和脈沖等信號完成提升機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行、停車等邏輯控制與保護(hù)。

(3)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。采用變頻調(diào)速器6SE70完成對提升機(jī)的調(diào)速功能，主要是響應(yīng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，接受操作系統(tǒng)的命令并執(zhí)行相應(yīng)的調(diào)速任務(wù)，進(jìn)行電壓、電流檢測和顯示，通過軟件設(shè)定所需的S形速度曲線，完成提升機(jī)的控制與運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視。

(4)制動(dòng)系統(tǒng)。制動(dòng)系統(tǒng)由液壓站與盤式制動(dòng)器構(gòu)成，其作用是在提升機(jī)減速停車或緊急制動(dòng)時(shí)，剎住卷筒，使提升機(jī)安全制動(dòng)，迅速停車，在提升機(jī)靜止時(shí)進(jìn)行液壓抱閘，其可靠性直接影響提升機(jī)的安全運(yùn)行。

(5)信號系統(tǒng)。根據(jù)提升機(jī)的工作狀況，井口和井底提升容器位置狀態(tài)，人員、設(shè)備是否準(zhǔn)備就緒向提升機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出動(dòng)作信號，當(dāng)井下信號根據(jù)需要輸入相應(yīng)信號后，通過遠(yuǎn)程系統(tǒng)將信號發(fā)送到井口信號臺(tái)，井口根據(jù)信號提示發(fā)出相應(yīng)信號，當(dāng)2個(gè)信號一致時(shí)，有效信號由井下信號臺(tái)傳送到司機(jī)信號臺(tái)，由司機(jī)在操作臺(tái)進(jìn)行控制。

3 系統(tǒng)通訊配置

提升機(jī)系統(tǒng)的通訊［3-4］主要有主－從PLC間的通訊、PLC與變頻器的通訊以及上位機(jī)與PLC的通訊。

(1)上位機(jī)與PLC的Profibus通信。計(jì)算機(jī)中安裝通訊卡CP5611與西門子S7－300 PLC集成MPI接口通過電纜線構(gòu)成MPI通訊系統(tǒng)，在工控計(jì)算機(jī)上打開組態(tài)軟件建立WinCC項(xiàng)目，在變量管理器中添加通訊驅(qū)動(dòng)程序SIMATIC S7 Protocol Suite，在其MPI下建立PLC的連接并設(shè)置MPI地址參數(shù)，PLC中地址必須與MPI設(shè)置的保持一致，再在組態(tài)好的PLC下設(shè)置標(biāo)簽，將WinCC與PLC間要通訊的數(shù)據(jù)定義標(biāo)簽并打開WinCC圖形編輯器，在圖形編輯器進(jìn)行繪圖，將現(xiàn)場設(shè)備與繪圖中對象相連，即可完成上位機(jī)的監(jiān)控及其與PLC的通訊。

(2)PLC與PLC的Profibus通信。控制PLC與控制保護(hù)PLC都采用帶有DP接口的CPU 315－2DP，將 PLC主站和從站通過網(wǎng)絡(luò)線、中繼設(shè)備RS485、終端適配設(shè)備相連，組成Profibus的主－從通訊，在STEP 7中將其總線地址設(shè)置成2和6，并對硬件進(jìn)行配置，將配置好的硬件進(jìn)行下載，使2個(gè)PLC構(gòu)成總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行通訊。

(3)PLC與變頻器6SE70的Profibus通信。主控PLC、控制保護(hù)PLC組成的控制系統(tǒng)與變頻器6SE70采用主－從通訊［5］，主控PLC、控制保護(hù)的冗余系統(tǒng)PLC作為主站，變頻器6SE70作為從站，將其Profibus網(wǎng)絡(luò)地址設(shè)為4。PLC與6SE70總線通訊數(shù)據(jù)包括參數(shù)區(qū)PKW與過程數(shù)據(jù)區(qū)PZD，在它們進(jìn)行通訊時(shí)，首先確認(rèn)變頻器的狀態(tài)字，使變頻器工作狀態(tài)正常，再根據(jù)控制字設(shè)定頻率值，由PLC負(fù)責(zé)對信息的發(fā)送、讀取狀態(tài)的監(jiān)控，同時(shí)讀取通訊信息。

PLC與變頻器的通訊如圖2所示，由變頻器由傳送至PLC用于讀變頻器的數(shù)據(jù)在參數(shù)P734.1～P734.10中設(shè)置，傳送的數(shù)據(jù)包括狀態(tài)字、電機(jī)電流和變頻器的實(shí)際速度等;PLC傳送至變頻器用于寫變頻器的數(shù)據(jù)存放在K3001～K3016的16個(gè)字節(jié)中，包括控制字、速度給定等數(shù)據(jù)，只要將這些字節(jié)與變頻器的啟動(dòng)、停止控制字相連即可完成通訊。

圖2 PLC與6SE70變頻器的通訊

4 提升機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

提升機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)［6-7］有上位機(jī)和下位機(jī)的設(shè)計(jì)，上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)采用西門子WinCC 6.0實(shí)現(xiàn)，接收下位機(jī)的信息并在工控機(jī)上顯示實(shí)際運(yùn)行情況，對提升機(jī)進(jìn)行監(jiān)控;下位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)采用西門子S7－300 PLC的STEP 7 V5.3編程軟件實(shí)現(xiàn)，可以設(shè)定提升機(jī)運(yùn)行參數(shù)、查詢故障及在線監(jiān)測，并將現(xiàn)場信息送給上位機(jī)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。

4.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)選用西門子的工控計(jì)算機(jī)，組態(tài)軟件選用西門子WinCC 6.0，計(jì)算機(jī)中安裝通訊卡CP5611與西門子S7－300 PLC集成MPI接口通過電纜線構(gòu)成MPI通訊系統(tǒng)，在工控計(jì)算機(jī)上打開組態(tài)軟件建立WinCC項(xiàng)目，在變量管理器中添加通訊驅(qū)動(dòng)程序SIMATIC S7 Protocol Suite，在其MPI下建立PLC的連接并設(shè)置MPI地址參數(shù)，PLC中地址必須與MPI設(shè)置的保持一致，再在組態(tài)好的PLC下設(shè)置標(biāo)簽，將WinCC與PLC間要通訊的數(shù)據(jù)定義標(biāo)簽并打開WinCC圖形編輯器，在圖形編輯器進(jìn)行繪圖，將現(xiàn)場設(shè)備與繪圖中對象相連，即可完成上位機(jī)的監(jiān)控及其與PLC的數(shù)據(jù)交換。

上位監(jiān)控系統(tǒng)主要用于顯示提升過程、主要參數(shù)的數(shù)字量以及提升機(jī)運(yùn)行情況，監(jiān)控畫面由控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖、系統(tǒng)狀態(tài)圖、電流曲線圖、速度曲線圖、液壓系統(tǒng)圖、故障判斷及診斷、故障報(bào)警及故障保存、安全回路、報(bào)表管理和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)對提升機(jī)控制系統(tǒng)的提升容器位置、速度曲線、運(yùn)行電流、液壓站、電機(jī)等運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，還能通過故障判斷畫面對故障報(bào)警信息找出故障原因，對礦山提升產(chǎn)量、提升次數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)表統(tǒng)計(jì)，提高了礦山的生產(chǎn)效率及提升機(jī)系統(tǒng)的安全可靠性。

4.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

(1)S7－300 PLC的軟件配置。系統(tǒng)的S7－300 PLC采用編程軟件STEP 7完成編程，主要由用戶程序組織塊OB、功能塊FB、功能FC和數(shù)據(jù)塊DB組成，F(xiàn)B和FC是OB子程序，系統(tǒng)的PLC程序采用了組織塊OB1、計(jì)數(shù)模塊，各個(gè)組織塊流程如圖3、圖4所示。其中OB1為循環(huán)運(yùn)行組織塊，用來存放用戶程序，程序需要執(zhí)行時(shí)在OB1中調(diào)用;計(jì)數(shù)模塊子程序流程圖如圖4所示，系統(tǒng)利用計(jì)數(shù)模塊子程序讀取提升機(jī)實(shí)際脈沖值，對其計(jì)算得到提升機(jī)的位置及速度。

圖3 OB1程序流程

圖4 計(jì)數(shù)模塊子程序流程

(2)程序結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)PLC程序的OB1是用戶主程序部分，提升機(jī)系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示，在系統(tǒng)進(jìn)行初始化后，檢測是否有開車信號，若有信號，進(jìn)行開車準(zhǔn)備并按照速度曲線運(yùn)行，完成速度行程的計(jì)算;系統(tǒng)未檢測到開車信號，對系統(tǒng)進(jìn)行安全檢查、故障檢測并處理，使其能正常運(yùn)行，完成提升工藝。

圖5 提升機(jī)主程序流程

5 結(jié)語

將Profibus－DP現(xiàn)場總線應(yīng)用到礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)中，以智能化和數(shù)字化的控制設(shè)備為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通過現(xiàn)場總線通訊完成提升機(jī)的數(shù)據(jù)交換，使系統(tǒng)的性能穩(wěn)定性、安全可靠性和生產(chǎn)效率都有所提高，簡化了系統(tǒng)，降低了故障率，同時(shí)也克服了數(shù)據(jù)傳輸受硬件影響的缺點(diǎn)，并且可以監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行。Profibus－DP現(xiàn)場總線的應(yīng)用將為礦山帶來較大的控制便利和經(jīng)濟(jì)效益。

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