煤礦架空乘人裝置PLC電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)功能分析與設(shè)計(jì)

＊高希睿

（山西汾西宜興煤業(yè)有限責(zé)任公司 山西 032300）

隨著煤礦智能化建設(shè)的不斷發(fā)展，架空乘人裝置的高效集中控制逐漸成為了煤礦建設(shè)的重要方向，在基于PLC的架空乘人裝置控制系統(tǒng)中，主要包括啟停車(chē)模塊、系統(tǒng)控制模塊，本文從這兩個(gè)模塊出發(fā)，對(duì)基于PLC的架空乘人裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。

1.基于PLC的架空乘人裝置概要設(shè)計(jì)

架空乘人裝置的功能為：在礦井輔助運(yùn)輸中，將工作人員運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢?，其使用環(huán)境如表1所示。

表1 煤礦架空乘人裝置使用環(huán)境

煤礦架空乘人裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架包括工控機(jī)、礦井環(huán)網(wǎng)、光電轉(zhuǎn)換模塊、以太網(wǎng)模塊、二部電控柜、三部電控柜。煤礦架空乘人裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守、智能化運(yùn)行，因此需要結(jié)合PLC技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)裝置的管理與控制，PLC、紅外感應(yīng)裝置共同完成人體信號(hào)捕捉，并調(diào)整裝置狀態(tài)，基于PLC的架空乘人裝置系統(tǒng)控制流程，如圖1所示。

圖1 基于PLC的架空乘人裝置系統(tǒng)控制流程圖

同時(shí)，由于我礦主斜井架空乘人裝置與主斜井皮帶同巷布置，根據(jù)《山西省應(yīng)急管理廳國(guó)家礦山安全監(jiān)察局山西局關(guān)于中煤集團(tuán)山西華潤(rùn)聯(lián)盛黃家溝煤業(yè)有限公司“6·15”較大運(yùn)輸事故的通報(bào)》要求：在同一傾斜巷道中架空乘人裝置與帶式輸送機(jī)、軌道提升系統(tǒng)同巷布置時(shí)，必須設(shè)置電氣閉鎖，兩種設(shè)備不得同時(shí)運(yùn)行。

2.基于PLC的架空乘人裝置啟停車(chē)程序設(shè)計(jì)

(1)手動(dòng)、自動(dòng)模式程序設(shè)計(jì)

基于PLC的架空乘人裝置啟停車(chē)程序應(yīng)當(dāng)具有手動(dòng)、自動(dòng)兩個(gè)控制模式，其具體工作流程如下：①自動(dòng)模式。系統(tǒng)默認(rèn)為自動(dòng)模式，在手動(dòng)模式時(shí)，也可以通過(guò)按下“自動(dòng)模式”按鍵直接切換到自動(dòng)模式。此時(shí)，啟動(dòng)信號(hào)從乘車(chē)點(diǎn)紅外傳感器發(fā)出，紅外傳感器識(shí)別感應(yīng)區(qū)內(nèi)部的人員通行情況，如果識(shí)別到人員存在，則應(yīng)當(dāng)將信號(hào)傳輸?shù)絇LC主控器，根據(jù)自動(dòng)模式下的程序設(shè)計(jì)進(jìn)行架空人員運(yùn)輸作業(yè)。同時(shí)，在自動(dòng)模式下，操作人員應(yīng)當(dāng)無(wú)法進(jìn)行手動(dòng)按鈕操作，否則就很容易造成命令沖突。②手動(dòng)模式。技術(shù)人員可以按下“手動(dòng)模式”按鍵直接切換到手動(dòng)模式。此時(shí)，技術(shù)人員可以通過(guò)觀察，在合適的情況下按下操作臺(tái)上的啟停按鈕，對(duì)架空乘人裝置進(jìn)行有效控制[1]。

(2)白天、黑夜模式程序設(shè)計(jì)

在當(dāng)前的煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，煤礦節(jié)能降耗、提升架空乘人裝置使用率是非常重要的，基于PLC的架空乘人裝置啟停車(chē)程序應(yīng)當(dāng)具有白天、夜間兩個(gè)控制模式，其具體工作流程如下：①白天模式。即正常工作時(shí)間段，主要指的是7點(diǎn)—24點(diǎn)這一時(shí)間段，此時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行，當(dāng)延時(shí)時(shí)間到達(dá)預(yù)定時(shí)間，同時(shí)人體紅外線感應(yīng)器檢測(cè)到無(wú)人時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)行變頻器多段速控制，將架空乘人裝置的高速運(yùn)行轉(zhuǎn)換為低速運(yùn)行狀態(tài)。②夜間模式。即節(jié)能工作時(shí)間段，指的是0點(diǎn)—7點(diǎn)這一時(shí)間段，此時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)處于夜間模式，紅外傳感器正常工作，當(dāng)檢測(cè)到有人員經(jīng)過(guò)時(shí)，紅外傳感器會(huì)將信號(hào)傳輸?shù)絇LC主控器端口，主控器啟動(dòng)，進(jìn)行人員運(yùn)輸。當(dāng)延時(shí)時(shí)間到達(dá)預(yù)定時(shí)間，同時(shí)人體紅外線感應(yīng)器檢測(cè)到無(wú)人時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，與白天模式不同，會(huì)直接將架空乘人裝置的高速運(yùn)行轉(zhuǎn)換為停止運(yùn)行狀態(tài)，能夠在一定程度上節(jié)省能耗。

3.基于PLC的架空乘人裝置保護(hù)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)保護(hù)程序也是非常重要的，在煤礦架空乘人裝置正常運(yùn)行的過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)由于各種原因出現(xiàn)諸多機(jī)械故障，主要表現(xiàn)為越位、斷軸、油溫異常、泵站開(kāi)關(guān)故障、架空乘人裝置速度異常等。因此，制定相應(yīng)的智能保護(hù)程序也是非常重要的，本文充分結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)速度、液壓站兩個(gè)重要點(diǎn)位的安全保護(hù)程序進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。

(1)速度檢測(cè)與保護(hù)程序設(shè)計(jì)

在正常情況下，架空乘人裝置的運(yùn)行速度基本會(huì)按照預(yù)定速度執(zhí)行，過(guò)快或者過(guò)慢基本都預(yù)示著系統(tǒng)自身存在一定問(wèn)題，同時(shí)，速度大小還會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的安全性、效率造成比較明顯的影響，因此，對(duì)其運(yùn)行速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)具有一定現(xiàn)實(shí)意義。速度檢測(cè)主要通過(guò)編碼器設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，該設(shè)備主要固定在架空乘人裝置驅(qū)動(dòng)輪處、離驅(qū)動(dòng)輪最近的托繩輪前，該裝置會(huì)將采集到的速度信號(hào)轉(zhuǎn)化為高速脈沖傳遞到PLC主控器上，當(dāng)運(yùn)行速度變化明顯時(shí)，該智能控制器應(yīng)當(dāng)能夠發(fā)出警報(bào)并停止裝置運(yùn)行。

編碼器、高速計(jì)數(shù)器兩者相互結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)速度的精準(zhǔn)測(cè)量，并通過(guò)編碼器向PLC主控器發(fā)送脈沖。其具體內(nèi)容為：①編碼器的原理與結(jié)構(gòu)。編碼器的原理為，其單圈轉(zhuǎn)動(dòng)后單位脈沖是給定的，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，能夠比較準(zhǔn)確的測(cè)量編碼器轉(zhuǎn)一周的周長(zhǎng)，因此，PLC只要記錄編碼器反饋的脈沖式，通過(guò)計(jì)算即可確定速度的具體數(shù)值。常見(jiàn)的編碼器類(lèi)型主要包括增量式編碼器與絕對(duì)式編碼器，本次研究選擇旋轉(zhuǎn)增量式編碼器，其基本結(jié)構(gòu)包括放大電路、碼盤(pán)，放大電路包括發(fā)光管、接收管，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)信號(hào)的放大處理，碼盤(pán)包括A、B、Z三相脈沖。②高速計(jì)數(shù)器。本文研究所采用的計(jì)數(shù)器為精度較高、范圍較大的高速計(jì)數(shù)器，S7-1200 Smart PLC提供有四個(gè)高速計(jì)數(shù)器，HSC0-HSC3。S7-1200 Smart高速計(jì)數(shù)器存在八種工作模式，主要包括具有內(nèi)部地址控制的單相時(shí)鐘計(jì)數(shù)器、具有外部地址控制的單相時(shí)鐘計(jì)數(shù)器、具有正負(fù)時(shí)鐘脈沖輸入的雙向時(shí)鐘計(jì)數(shù)器、A/B正交計(jì)數(shù)器，以上四種類(lèi)型每種都存在兩個(gè)具體的工作模式。高速技術(shù)器的編寫(xiě)步驟為設(shè)置高速計(jì)數(shù)器的控制字節(jié)、寫(xiě)入初始值與預(yù)設(shè)值、使用HDEF指令定義高速計(jì)數(shù)器的編號(hào)與模式、鏈接相應(yīng)中斷并允許全局開(kāi)中斷、啟動(dòng)高速計(jì)數(shù)器、編寫(xiě)相應(yīng)的中斷程序。表2為高速計(jì)數(shù)器初始值與預(yù)設(shè)值。

表2 高速計(jì)數(shù)器初始值與預(yù)設(shè)值

速度檢測(cè)的具體程序設(shè)計(jì)思路如下：①調(diào)用“速度”子程序，設(shè)置控制字節(jié)“16#FC”，調(diào)用高速計(jì)數(shù)器，對(duì)當(dāng)前值、預(yù)設(shè)值進(jìn)行更新；②寫(xiě)入初始值；③調(diào)用0號(hào)高速計(jì)數(shù)器并啟動(dòng)，以3s為周期進(jìn)行速度測(cè)量，并將脈沖數(shù)裝入VD104寄存地址中，將轉(zhuǎn)換后的轉(zhuǎn)數(shù)裝入VD104寄存地址中，將計(jì)算后的電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)裝入VD108寄存地址中，最后計(jì)算得出每秒電機(jī)速度。

(2)液壓站油溫、油位檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

液壓站油溫、油位檢測(cè)需要經(jīng)過(guò)計(jì)算才能實(shí)現(xiàn)，其具體邏輯公式內(nèi)容為：OV=[(OSH-OSL)×(IV-ISL)/(ISH-ISL)]+OSL，其中，OV表示轉(zhuǎn)換結(jié)果；OSH表示轉(zhuǎn)換結(jié)果上限；OSL表示轉(zhuǎn)換結(jié)果下限；IV表示轉(zhuǎn)換對(duì)象；ISL表示轉(zhuǎn)換對(duì)象下限；ISH表示轉(zhuǎn)換對(duì)象上限。S7-1200智能編程軟件能夠提供相應(yīng)的庫(kù)指令，通過(guò)調(diào)用、寫(xiě)入能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量的信號(hào)采集作業(yè)。

油溫、油位檢測(cè)程序設(shè)計(jì)思路如下：①將OSH、OSL分別設(shè)置為150/0，ISH、ISL分別設(shè)置為27648/0，此時(shí)就可得到實(shí)際溫度數(shù)值；②將溫度實(shí)際值、預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，區(qū)分其大小，當(dāng)溫度實(shí)際值＞溫度預(yù)設(shè)值時(shí)，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行報(bào)警處理。

4.基于PLC的架空乘人裝置通信組態(tài)的分析與設(shè)計(jì)

(1)通信設(shè)計(jì)

基于PLC的架空乘人裝置通信組態(tài)也是保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要結(jié)構(gòu)之一，本文決定采用估計(jì)與PLC的Modbus串口通信，該方法具有傳播形式的多樣性，常見(jiàn)類(lèi)型包括光纖傳播、以太網(wǎng)通訊等，在本文所采用的西門(mén)子S7-1200 SMART PLC中，包括兩種串行通訊接口，分別用于RS485、RS232兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

西門(mén)子S7-1200 SMART PLC系統(tǒng)硬件包括一個(gè)CM 1243-5PROFIBUS DP主站模塊、一個(gè)CPU 1214DC/DC/DC模塊、一個(gè)SM1233數(shù)字量輸入/直流輸出模塊、一個(gè)SM1231模擬量輸入模塊、三個(gè)ET200S分布式I/O分站、一個(gè)4DO×24VDC/0.5AST、一個(gè)TM-C120S終端模塊。

RS485接口具體情況如下：①接線方式。RS485接口的3號(hào)、8號(hào)腳分別代表信號(hào)“+”“-”，一個(gè)主站可以對(duì)應(yīng)多個(gè)從站，可以采取一對(duì)多的接線方法。②工作方式。在一般情況下，RS485主要為差分工作方式，即邏輯信號(hào)電平由雙絞線兩者的差表示。

RS232接口具體情況如下：接線方式。RS232需要兩根數(shù)據(jù)信號(hào)線與一根信號(hào)地線完成連接，采用負(fù)邏輯，僅支持兩個(gè)設(shè)備之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。

(2)通信協(xié)議

通信協(xié)議即數(shù)據(jù)之間的交換規(guī)則，主要包括站號(hào)、命令代碼、數(shù)據(jù)、校驗(yàn)碼。本文研究的通信協(xié)議為Modbus RTU通信協(xié)議，Modbus屬于典型的單主站、無(wú)地址的主從通信模式。Modbus RTU信息幀格式包括起始、地址、函數(shù)、數(shù)據(jù)區(qū)域、控制五個(gè)基本元素，無(wú)明確的開(kāi)始、結(jié)束字符，其具體元素信息為：①起始符。通常以3.5個(gè)字符長(zhǎng)度的時(shí)間來(lái)代替。②地址碼。表示設(shè)備在Modbus中的地址。③功能碼。其功能為向從站指示執(zhí)行某種具體操作，如讀取數(shù)字量輸出狀態(tài)等。此外，Modbus RTU包含四種能量類(lèi)型，其具體內(nèi)容如表3所示。

表3 Modbus RTU四種能量類(lèi)型

在數(shù)據(jù)單元協(xié)議中，數(shù)據(jù)類(lèi)型并無(wú)明確差異，都有著具體數(shù)據(jù)地址，需要t通過(guò)執(zhí)行地址映射來(lái)確定數(shù)據(jù)類(lèi)型，Modbus數(shù)據(jù)模型的尋址方式主要包括四種基本類(lèi)型，即0xxxxx、1xxxxx、3xxxxx、4xxxxx，分別表示線圈、離散量輸入、輸入寄存器、保持寄存器，地址從1開(kāi)始。在實(shí)際存儲(chǔ)過(guò)程中，已經(jīng)定義存儲(chǔ)區(qū)域之后，還需要在Modbus中進(jìn)行二次地址映射，根據(jù)自身需要進(jìn)行自定義即可。例如，Modbus地址為00001-00128時(shí)，對(duì)應(yīng)的S7-1200 SMART 數(shù)據(jù)區(qū)則為Q0.0-Q15.7。

PLC與磁力啟動(dòng)開(kāi)關(guān)的通訊程序設(shè)計(jì)思路如下：①磁力啟動(dòng)開(kāi)關(guān)協(xié)議與規(guī)定。當(dāng)通訊地址不為0時(shí)，液壓站磁力啟動(dòng)開(kāi)關(guān)通訊方式選擇采用Modbus RTU通信協(xié)議，標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議規(guī)范包括故障查詢(xún)區(qū)、測(cè)量值顯示為只讀區(qū)域、系統(tǒng)參數(shù)區(qū)、通訊控制區(qū)。②PLC的通信程序設(shè)計(jì)。首先，置位相關(guān)點(diǎn)位，啟用主站初始化指令，讀取數(shù)據(jù)裝入字節(jié)，最后將存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)傳送到HMI觸摸屏進(jìn)行顯示與控制。

5.結(jié)論

綜上所述，結(jié)合可編程控制器技術(shù)及煤礦架空乘人裝置的實(shí)際需求，從啟停車(chē)模塊、系統(tǒng)保護(hù)模塊兩方面進(jìn)行了具體軟件與程序設(shè)計(jì)，相關(guān)單位在進(jìn)行架空乘人裝置設(shè)計(jì)時(shí)，可以適當(dāng)參考本文的研究?jī)?nèi)容，相信能夠在一定程度上提升自身軟件設(shè)計(jì)水平，進(jìn)而滿足編程控制需要。