冗余PLC控制的礦井提升機控制系統(tǒng)設(shè)計

胡雪雪

0 引言

礦井提升機是煤炭井下運輸?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，提升機電控系統(tǒng)逐漸運用新一代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，實現(xiàn)提升機控制和調(diào)速[1]。提升機在實際運行中，有時提升機故障會出現(xiàn)在PLC硬件或外圍器件上，導致提升機停運給煤炭生產(chǎn)造成嚴重損失。故本文開發(fā)一套冗余PLC控制的礦井提升機控制系統(tǒng)[2-3]，采用兩套西門子S7-400 PLC來實現(xiàn)硬件的雙機熱備，并通過軟件編程實現(xiàn)雙PLC故障的冗余切換，確保提升機安全可靠運行。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

冗余控制是指系統(tǒng)在工作中發(fā)生故障時，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]。提升機在運行過程中，一旦PLC控制器出現(xiàn)故障，提升機將停運，進而影響煤炭生產(chǎn)，故冗余PLC設(shè)計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

冗余PLC提升機控制系統(tǒng)由冗余PLC、上位機、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)計如圖1所示。

主要工作過程：首先，采集安裝于電機軸、滾筒主軸的軸編碼器的脈沖，運用PLC的高速計數(shù)模塊進行計數(shù)并經(jīng)過PLC邏輯運算處理后，形成按行程給定的運行曲線；其次，運用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，并上傳到上位機來實現(xiàn)參數(shù)實時監(jiān)控；最后，運用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，判斷并校正提升機和各外部設(shè)備的運行狀態(tài)來保證提升機的平穩(wěn)運行。正常工作時，由于備用PLC的外部控制線路和主控PLC一致，故主控PLC運行，備用P LC閉鎖全部輸出信號，僅當主控P LC發(fā)生異常時，開放備用P LC輸出閉鎖，實現(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)邏輯計算，控制提升機的平穩(wěn)運行，實現(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：兩個電源模塊PS407、兩個CPU模塊CPU412-2DP、兩個高速計數(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，實現(xiàn)觸摸屏與主控PLC通過RS485進行通信；將POTR2端口與主控PLC和備用PLC連接，實現(xiàn)自由口通信功能，并將主控PLC的數(shù)據(jù)實時傳輸給備用PLC，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時動態(tài)監(jiān)測與顯示功能。變頻器選用功能強大的西門子6ES70，可實現(xiàn)多級變頻調(diào)速。

冗余PLC提升機控制系統(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，則立即運行工頻電阻來調(diào)節(jié)提升機的速度，保證平穩(wěn)運行。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)，實現(xiàn)松閘或抱閘。

（4）實現(xiàn)行程給定功能、提升容器的位置控制及對箕斗位置進行實時監(jiān)控和顯示。

（5）檢測提升機運行實時數(shù)據(jù)并上傳。

（6）將PLC外部輸入的實時與標準數(shù)據(jù)比較，編程判斷提升機實際故障部位。

3 軟件設(shè)計

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的各項運行參數(shù)和數(shù)據(jù)上傳。并在主控PLC故障時，自動轉(zhuǎn)換至備用PLC運行，進而達到雙機熱備的切換目的。故障處理子程序功能是完成提升機過卷、超速和過載保護、監(jiān)控運行速度和位置、監(jiān)控變頻器故障等，當一有故障出現(xiàn)，就運行相應故障處理子程序，控制安全回路抱閘及停車，并上傳上位機報警及顯示故障信息。速度校驗子程序?qū)S編碼器產(chǎn)生的脈沖通過PLC高速計數(shù)模塊進行計數(shù)來測速，并同時對兩套軸編碼器進行同步校驗。主控程序流程圖如圖2。

圖3上位機提升機組態(tài)圖

系統(tǒng)的上位機界面設(shè)計，選用西門子SIMATICWinCC5.0制作，對提升機運行時的各種狀態(tài)進行組態(tài)顯示，將在觸摸屏和上位機上顯示整個提升過程和提升參數(shù)，實現(xiàn)觸摸屏、上位機與提升機電控系統(tǒng)運用工業(yè)以太網(wǎng)通信。上位機提升機組態(tài)如圖3。

4 結(jié)語

本文設(shè)計的冗余PLC控制的礦井提升機控制系統(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，實現(xiàn)提升機運行過程中過卷、超速、過載等故障的檢測與保護，改善了提升機控制系統(tǒng)一旦故障嚴重影響生產(chǎn)及調(diào)速方式單一的問題，實現(xiàn)提升機平穩(wěn)運行，并滿足煤礦井下安全運輸?shù)囊?。實際運行表明，改造后的系統(tǒng)進一步提高了提升機電控系統(tǒng)的安全可靠性及準確性，能夠使礦井提升機更平穩(wěn)運行。