基于双PLC矿井提升控制系统的研究与应用.pdf

T e c h n o l o g y a n d A p p l i c a t i o n s技术应用 基于双 P L C矿井提升控制系统的 研究与应用 姜宁 西安 工程 大学电子信息学院陕西西安 7 1 0 0 4 8 【 摘要 】 本文主要论述基于双 P L C的矿井提升控制系统的研究与应用， 拟采用西门子 s 7 4 0 0 系列 P L C形成主控制逻辑电路， 采用西门子 S 7 3 0 0系列 P L C形成控制保护电路， 2 套 P L C形成冗余保护， 从而对提升工艺进一步优化， 更好的实现双线程位置 速度保护。 【关键词 】 P L C控制； 矿井提升 R e s e a r c h o n H o is t i n g S y s t e ms i n Mi n e S h a ft s B a s e d o n D u a l P L C J i a n gNi n g x i ’ a n P o ly t e c h n i c U n i v e r s i t yS h a n x i X i ’ a n 7 1 0 0 4 8 【 A b s t r a c t 】 S t u d y a n d a p p l ic a t io n o f h o is t i n g s y s t e m s in m i n e s h a ft s b a s e d o n d u a l P L C a r e r e a liz e d in th i s p a p e r ． T h e m a i n l o g i c c o n t r o l c i r c u it is re a l iz e d b yS i m e n sS 7 - 4 0 0 P L C ， th e p r o t e c ti o n c o n tr o l c i r c u it isre a l iz ed b yS i m e n s S 7 3 0 0 P L C ， a n dth e r e d u n d a n t c o n tr o l o f d u a l P L Ci s r e a liz ed． T h e p r o c e s s o f h o i s t i n g s y s t e m s is o p t i miz ed， a n d th e b e t t e r s peed p r o t e c t io n o f d o u b le p o s it io n s is rea l iz ed． 【 K e y wo r d s 1 P L Ccon tr o l； m in e h o is t i n g 采用 P L C技术的新型 电控 系统都 已较成功的应用于矿 井提升实践， 并取得了较好的运行经验。 该系统不仅克服了传 统电控系统的缺陷，而且大大提高了矿井提升系统的可靠性 和安全性 ， 使人机环境得到进一步改善 ， P L C技术的应用代表 着矿井提升机电控系统发展的新趋势。但随着一些新建大型 矿井的投产 ， P L C提升控制系统在应用过程 中也暴露出一些 问题， 在大吨位矿井提升环境中， 提升机电气设备和机械设备 比较复杂， 且对运行的可靠性要求较高， 故障检测 故障处理 及保护回路更为复杂， 所以单 P L C控制在提升系统的应用中 存在一定的弊端。本文采用西门子 s 7 4 0 0系列P L C形成主 控制逻辑电路，采用西门子s 7 3 0 0系列 P L C形成控制保护 电路， 2 套 P L C形成冗余保护由于西门子 s 7系列 P L C体积 小， 可靠性高， 技术性能好， 而且维护调试比较方便， 处理故障 较快， 故将系列的P L C设备作为本文主要的研究应用对象。 1 ． 双 P L C 系统控 制 系统 的特 点 双P L C系统控制设计采用两套 P L C和继电器来完成提 7 8 2 0 1 1 ． 1 1 www． i n f o s t i n g． o r g 升工艺的控制及监控， 可实现过卷、 松绳、 反转、 滑绳、 下坠、 错 向、 闸损、 过速和过载等保护功能的双重化， 主控 P L C和监控 P L C单独完成罐位监视 ，两个 P L C的监视数据在出现异样 时， 可立即启动安全保护， 进行智能故障排查。两台 P L C均能 处理钢丝绳打滑 ， 衬垫磨损监视 、 定点速度监视 ， 同步开关监 视 ， 闸瓦磨损监视等。主控 P L C、 操作保护 P L C、 主传动设备 、 信号系统通过现场总线构成现场 网络 ， 该系统在各个 P L C分 站上均采用 P R OF F I B US 总线连接方式，以减少系统设备之 间的信号连线， 减少故障点， 提高系统可靠性和安全性。同时 也为地面生产调度系统或全矿集中控制系统联网通讯提供必 要的接口， 以便于实现矿山的高度自动化。 上位监控系统通过 通讯卡与主控 P L C相连接，主控 P L C通过总线与控制保护 P L C、 水平操作台远程 I ／ 0信号设备连接， 组成现场总线控制 系统。 现场总线网络拓扑结构如图 1 。 2 ． 双 P L C 系统控 制 系统 的构 成 lJ 艟静 簟囊 技术应用 T e c h n o l o g y a n d A p p l i c a t i o n s 姒螂 ● 鬟翻喀● I 叠 站鹫 t鲁麓● p Lc 图 1总线 图 主控 P L C采 用 西 门子 s 7 4 0 0系列 P L C 作 为主 控 制 P L C， 主要是完成整个电控系统的信号处理， 数据计算， 通讯 控制， 系统管理， 系统操作， 系统保护等， 实现提升系统的各种 工艺运行方式。主控系统对过速， 过卷等实行多重保护， 完成 系统故障分层次保护。需要的配置是 电源模板 P S 4 0 7 一块 ； C P U模板 C P U4 1 2 2 DP一块 ； 计数模板 F M4 5 0 1 一块； 数字 量输入模板 S M4 2 1 、 S M4 2 2 、 S M4 3 1 、 S M4 3 2 若干。 其中 电源模 板 P S 4 0 7通过底板总线向S I MAT I C 7 - 4 0 0提供 5 V D C和 2 4 V DC 直 流 电 源 ； C P U 模 板4 1 2 2 D P 的2 个 P ROF I B US DP接口作为主站和 P ROF I B US分布式总线系 统连接； 计数模板F M4 5 0 - 1 是单纯计数任务的单通道计数模 板 ， 在达到比较值时 ， 集成的数字输出端输 出响应 ， 通过计数 值可以准确得知提升容器的提升速度和深度数据 ；数字量输 入模板 S M4 2 1 可将外部 过程传送来 的数字信号电平 转换 成 内部 s 7 4 0 0信号电平，这种模板适应于接近开关和 2线 B E RO接近开关；数字量输出模板 S M4 2 2 可将 s 7 4 0 0的内 部信号电平转换所需要的外部信号电平，这种模板适应与电 磁阀， 接触器， 小型电动机， 灯和电动机起动器等设备的连接； 模 拟量输 入模 板 S M4 3 1可将 外部 的过程模 拟 信号转 换 成 s 7 4 0 0内部处理用的数字信号 ； 模拟量输出模板 S M4 3 2可将 7 - 4 0 0 的数字信号转换成控制需要的模拟量信号输出， 用于 连接模拟量调节器， 执行机构。 控 制保护 P L C选用 西门子 s 7 3 0 0系 列 ，作 为主控 制 P L C的从站。需要的配置是 电源模板 P S 3 0 7一块 ； C P U模板 C P U 3 1 5 2 DP一块； 计数模板 F M3 5 0 2一块； 数字量输入模 板 S M3 2 1 、 S M3 2 2 、 S M3 3 1 、 S M3 3 2若干。控制保护 P L C 从站 根据外部输入的有关数字开关量，输入模拟量等信号进行逻 辑运算， 数据计算完成提升机的启动， 运行 ， 停车整个提升过 程的运行控制及保护功能、 液压制动系统的控制和保护功能。 从站 P L C与主站 P L C实现相互冗余控 制保护功能 ， 保证提升 系统的安全性和可靠性。控制保护P L C同时还具备数字监控 器的功能 ， 由于提升机实际上是一个位置控制系统 ， 提升机 电 控装置要求设置比较可靠 的位置检 测环节 ，准确地检测出提 升机容器在井 筒中位置如减速点 、 停车点 、 过卷点 ， 与相对应 的位置， 必须控制提升机能可靠地减速 ， 停车。传统的位置检 测是机械式行程监控器，同时安装井筒位置开关来检坝 4 提升 容器的实际位置， 而这种检测方式精度很低， 并且井筒开关易 损坏 ， 且更换不方便 ， 严重影响生产及人身 ， 设备安全。 随着数 字技术的发展，可编程控制器的升级及普遍应用，利用P L C 系统实现数字监控器的概念被提出。 且作为提升机安全运行 的多重保护势在必行。从站P L C与速度和位置传感器、 井筒 开关传感器相连， 可精确监控各项数据， 精度和可视化是传统 机械式行程监控无法 比拟的 ， 所以基于 P L C系统的提升机数 字监控模式将会逐步替代传统的机械式行程监控模式。 3 ． 双 P L C 系统控 制 系统 的操 作 控制保护 P L C 从站 安装在司机操作台内部。司机的操 作方式主要在司机操作台完成 ，司机在操作台可选择以下方 式中任何一种方式操作 ，并且无论何种操作方式司机均可通 过急停按钮实施紧急停车。司机操作台用于设置速度给定控 制， 闸给定控制， 数字式深度指示器， 信号灯及用于操作方式 选择的转换开关 、 过卷旁路开关 、 操作按钮 、 指示仪表等。 数字 式深度指示器 由 P L C系统控制 ，适时显示箕斗的标高位置 ， 显示精度为 l c m， 同时设置 2 个光柱， 用以显示箕斗的位置， 使得箕斗位置的显示清楚、 明了。 指示灯直观的显示提升机的 运行状态 ， 使司机的操作一 目了然。 上位机监控系统平台由主流配置的P C服务器和西门子 WI NC C监控软件构成 ， 该软件功能模块化 ， 结构线性化 ， 注 释完整齐全 ， 并附有辅助图表说明。监控画面显示包括 电控 系统全貌及介绍 ， 主要电气 回路状态 图， 提升系统动态画面 ， 提升容器位置动态显示， 速度 曲线 ， 电流曲线， 液压系统图， 安 全回路图 ， 闸瓦磨损、 弹簧疲劳指示 ， 当前故障报警 ， 历史故障 记忆 ， 生产报表 ， 帮助文件等 ， 打印机可以实时打印事故 ， 生产 报表等。 上位监控软件具有故障诊断功能， 能显示和打印故障 发生位置和时间， 故障解除时间。上位监控、 管理软件能实现 提升机动态模拟仿真演示， 同时具有与P L C通讯及与企业网 联网的功能。该软件实时采集足够多的提升机的运行状态信 号， 如电机电流、 电机电压等重要数据， 通过对这些数据的综 合性比对进行故障的预警和判断，部分重要故障发生前系统 信息安全与技术 2 0 1 1 ． 1 1 7 9 T e c h n o l o g y a n d A p p l i c a t i o n s技术应用 图 2工 艺控 制流 程 图 图 3卸载站 P L C逻辑流程图 8 0 2 0 1 1 ． 1 1 www． in f o s t in g ． o r g 提前进行故障可能性预警； 在发生故障后， 通过对系统故障 数据的比对 ， 提供给维护人员故 障判断的结论 ， 同时提供 给 维护人员系统故障出现的位置、 原 因， 以及相应的处理方案。 信号操作控制系统与主电控通过 P I K OF I B US DP总线 通讯， 各信号台、 操作台分布有 S I E ME NS 远程 I ／ 0 系统， 利用 S I E ME NS 进 口专用铠装电缆实现通讯，使信号系统完 整 、 无缝地结合与主电控系统， 杜绝 了安全隐患。 对分布于井 下的信号设备， 采用高防护等级的箱体 I P 6 7 ， 增设加热除 湿设备 ，同时利用继 电器节点串联形成硬件备用信号系统 ， 以保证信号系统安全 、 可靠 、 无干扰的工作 。 信号系统和提升 机的控制系统按照工艺要求 ， 具有完善的联锁功能。信 号系 统设备考虑到井下的恶劣环境， 选用高防护等级的元器件和 台体。在 装载 站 以及 卸载 站信号操作 台配置 进 口分布 式 I ／ O 系统 ， 采集与控制装载站的振动放矿机 、 运矿皮带 、 计 量称重装置等信号 ， 完成提升系统的控制工艺。装载站称重 信号采用称重传感器进行采集，这种传感器具备模拟量 、 数 字量接口， 可以直接连接 P L C， 根据提升工艺要求直接参与 提升控制。 装载工艺控制流程图及 P L C逻辑流程 图如图 2 、 图 3 。 4 ． 双 P L C 系统控 制 系统 应 用的展 望 基于双 P L C的矿井提升控制系统的主 、辅 P L C之间相 互通讯及监视并实现双线制控制 ， 可实现双系统冗余 ， 对提 升机运行的速度、 容器位置、 安全、 减速、 过卷等关键的信号 均采用多重保护， 互为监视。面对大型矿井复杂的工艺运行 方式 ， 双 P L C冗余控制和现场总线技术的应用， 使操控系统 更为简化 ， 维护更为方便 ， 控制精度 、 安全性 、 可靠性得到提 高，所以双 P L C或多 P L C控制将会是今后大型矿井提升电 控系统的主要发展方向。 参考文献 【 1 】 余发山． 国内外矿井提升机的现状与发展． 煤矿机电， 1 9 9 5 年 0 3 期． [ 2 】2任雪振． 矿井提升机电控设备的现状及发展． 矿山机 械， 2 0 0 1 年 0 9 期． 作者简介 姜宁 1 9 8 2 一 ， 本科 ， 在读硕士。 黑龙江鸡西； 主要研究方向 矿井 自动化管理。