矿井提升机PLC控制系统可靠性设计.pdf

2 0 0 6 年第6 期 煤矿机电 3 3 矿井提升机 P L C控制系统可靠性设计 秦绪平 淮海工学院 电子工程系， 江苏 连云港 2 2 2 0 0 5 摘 要 本文以P L C控制系统为重点， 运用容错理论和避错的设计方法分别进行 了可靠性设计。 实际运行结果表明， 提高了整个提升机系统的可靠性。 关键词 提升机； P L C ； 可靠性； 设计 中图分类号 1 T 2 7 3 ． 5 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 -0 8 7 4 2 0 0 6 0 6 0 0 3 3 0 3 Re l i a b i l i t y De s i g n o f PL C Co n t r o l S y s t e m o f Mi n e Ho i s t Q m X u - p i n g E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g D e p a r t me n t ， H u a i h a i I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ，L i a n y u n g a n g 2 2 2 0 0 5， C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ，P L C c o n t r o l s y s t e m i s t a k e n a s t h e k e y p o i n t t o s h o w t h e r e l i a b i l i t y d e s i g n b y u s i n g f a u l t t o l e r a n t t h e o r y a n d f a u l t a v o i d me t h o d r e s p e c t i v e l y ．T h e r e s u l t o f s i t e o p e r a t i o n s h o ws t h a t t h e d e s i g n i mp r o v e s t h e r e l i a b i l i t y o f the wh o l e h o i s t s y s t e m． K e y wor d sh o i s t ；P L C；r e l i a b i l i t y；d e s i g n 1 引言 研究提升机高可靠性的 P L C系统主要有两个 途径 其一是通过正确设计、 优选元器件、 仔细布线、 谨慎安装和加固等措施来避免故障发生， 避错方法 的可靠性受到一定的限制； 其二是在系统体系结构 上精心设计和用外加资源的冗余技术来达到掩蔽故 障的影响。本文就这两方面分别对提升机 P L C系 统的可靠性进行探讨。 2 基于容错理论的 P L C控制系统可靠性设计 1 P L C控制系统 P L C采用 S I E M E N S 公司的 7 - 3 0 0 ， 并通过 M P I 和 P R O F I B U S双网连接， 如图 1 所示。每台 P L C基 - n n n - 一 靠 ， 经济省材。 2 对于大型综合外壳， 例如移动变电站的变 压器部件， 可对其圆弧段 、 直线段， 利用圆筒型、 方形 的结构方式进行计算校核； 需要用加强筋结构时， 也 可对其进行计算校核。 3 结构设计时， 若有压力重叠现象时， 其压力 超过 1 M P a ， 但这种结构应尽量避免。 参考文献 本配置有 电源模块、 C P U模块 、 数字量 I ／ O模块、 A ／ D和 D ／ A模块以及通讯模块等。操作保护 P L C 与继电器构成双线制提升机安全保护回路； 行程监 控 P L C的主要功能是 自动产生提升机所需的速度 给定信号 即运行曲线 ； 操作保护和行控两台 P L C 既相互独立， 又能相互监视， 对某些保护 如过卷 、 超速、 钢丝绳打滑等 还能相互备用、 冗余， 这样大 大提高了行程监控器的可靠性。 操作保护 行控P L C 操作台P L C 低压柜P L C PLC 图 1 P L C网络图 一- , -t -* ” 一 一一 [ 1 ] 机械设计手册编委会． 机械设计手册 [ M] ． 北京 机械工业出 版社 ， 2 0 0 4 [ 2 ] 北京科技大学。 东北大学． 理论力学[ M] ． 北京 高等教育出版 社 。 1 9 9 7 [ 3 ] 刘湘秋． 常用压力容器手册[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 5 作者简介 钱松 1 9 8 0 一 ， 男。 助理工程师。 2 0 0 3 年毕业于中国矿 业大学机电学院测控技术与仪器专业， 现从事防爆 电气设备的检测 与研 究工作。 收稿日期 2 0 0 6- 0 3 1 7 责任编辑 姚克 维普资讯 - 3 4 煤矿机电 2 0 0 6 年第6 期 2 系统硬件容错设计 基于“ 三中取二” 原则， 选取 N 3 ， 即采用三模 混合冗余系统来实现提升机操作保护系统功能， 如 图 2所示。 塑 切 巫 餐 L 函 l l 路 异检测 图2 三模混合冗余控制 表决器 输出 对所有部件， 其工作状况通过继电器、 接触器或 其辅助触点， 同时输入到三个回路， 以保证三个回路 的输出数据的一致性。继电器回路和两个 P L C回 路同时运行， 表决器接受三个回路的输出作为其输 入， 并将多数表决的结果作为系统的输出。“ 差异 检测器” 不断比较三个模块各自的输出是否与表决 器的输出不一致。若某个模块的输出与表决器的输 出不一致， 开关电路便把该回路切除掉， 构成双回路 联机系统， 仍然保证系统的正常工作。 继电器控制回路、 操作保护 P L C 、 行程保护 P L C 在不发生故障时， 均可单独执行操作保护系统的所 有任务， 故在三个回路中， 只有一个回路是正常工作 所需的资源， 另外 2 个回路是外加的硬件资源。本 系统以操作保护 P L C作为主控设备， 行程控制 P L C 负责对操作保护 P L C进行监控， 一旦主控 P L C出现 问题 ， 就把行程控制 P L C切换为主控设备。在正常 情况下， 继电器回路作为热备用回路， 输入到该回路 的信号主要是操作台发出的各种操作指令及主要执 行器件动作情况反馈信号， 只有当两台 P L C均出现 故障时， 才能切换到此方式， 以3 m ／ s 速度进行紧急 开车。其可靠性分析 从冗余结构来看， 假设单回路可靠度为 R 0 ． 7 0 ， 当一回路出现故障而采用两回路连机联机监 控， 其可靠度为 R 1 一 1 0 ． 7 0 1 0 ． 7 0 1 0 ． 3 0 0 ． 9 1 当采用三模冗余结构， 其可靠度为 R 。1 一 1 0 ． 7 0 1 0 ． 7 0 1 0 ． 7 0 10． 3 0。0 ．9 7 3 可见， 采用三模冗余结构可靠度与单回路运行 相比， 得到了明显的改善和提高， 能保证矿井生产的 连续性和实时性。 3 系统软件容错设计 1 时问冗余 在程序的适当位置设置若干检查点， 在每一个 检查点保存程序在该检查点之前正确运行而得到的 全部信息及标志。若故障是暂时l生的， 则程序卷回 到上一检查点开始重新执行， 这样可以完全消除错 误。它只能检出而不能消除永久性故障， 如某些涉 及输入、 输出的操作。如图3 所示。 圈 3 卷 回操作程序框 图 2 N版本程序设计 N版本程序设计要求设计 N个功能相同， 但内 部有差异的版本程序 ， N个版本分别运行， 以“ 静态 冗余” 方式实现软件容错。设计中包含了程序设计 上的冗余， 用效率换取可靠性， 具有容忍设计错误的 能力， 还能屏蔽某些类型的暂时性硬件故障。采用 N版本程序设计， 对提升机速度曲线的生成及包络线 的产生， 直接影响到提升机的安全运转及运行效率。 图4 N版本程序结构框图 3 弃权规则 当程序运行或继续运行的某些必要条件未能具 备时， 便采用跳过、 转移、 默认等方式确保程序运行， 对报警故障的编程， 就是采用此种方法。 3 基于避错的P L C控制系统可靠性设计 1 P L C系统干扰源分析 维普资讯 2 0 0 6 年第6 期 煤矿机电 3 5 由于P I E的使用环境比较恶劣， 各种电气干扰 尤其严重， 而且 P IE 的核心是低电平工作的微电子 器件， 对干扰十分敏感 ， 故 P L C的抗干扰能力的高 低是决定其工作可靠性的决定因素。在提升机的运 行现场环境中， 当电路接通或关断器件时， 形成过高 电压或过大电流而构成的干扰， 例如继电器、 接触器 及其它触点式开关的闭合及分断、 大型负载的通断、 可控硅整流装置、 电焊机以及雷电等。这些干扰源 将会造成正弦波的畸变、 在正弦波上寄生有高次谐波 并迭加有尖峰于扰信号等。P L C在处于各种电磁干 扰的环境中， 并通过电源线、 众多的输入／ 输出线与 外部相连， 构成了P L C与外部干扰源之间的主要耦 合通道。为了确保 P L C和其他的元器件能在受到 干扰严重的工业环境中正常工作， 就必须采取各种 必要的措施， 尽量阻隔和衰减干扰通道， 消除或抑制 内部和外部的干扰源， 提高控制电路的抗干扰能力。 2 P L C系统供电电源的可靠性设计 1 采用隔离变压器和电源滤波 在各类电磁干扰中， 实践证明尤以沿导线传播 的高频或具有极快电压上升沿的脉冲或脉冲群的 危害最大。在供电系统中主要采用以下技术措施。 a ．由高质量 的隔离变压器 和电源滤波器向 P L C及其系统供电。 b ．电源入口处装可吸收浪涌电压的压敏电阻。 2 P L C工作电源 P L C控制系统的工作电源可分为两类， 一是计 算机工作电源， 即数字电路内部的工作电源 系统 S Y S 电源 ； 二是 P L C外部接 口模块的工作负载 电源 输入／ 输出 I ／ 0 电源 。对于 S Y S电源， 用 P S 3 0 7电源模块对 P L C系统供电， 具有可靠的隔离、 电网低通滤波、 抗瞬间电流冲击等， 比较适用于提升 机运行的具有电磁干扰的工业现场。 3 主令给定部分采用交流变压器 对主令控制 自整角机的励磁电源不仅经隔离变 压器处理， 还需进行交流稳压处理， 以确保角机电源 的稳定、 可靠。 3 系统接地 1 数字地 各种开关量 数字量 信号的零电 位 。 2 模拟地 各种模拟信号的零电位。 3 交流地 交流供电电源的地， 产生噪声的地。 4 屏蔽地 也称机壳地， 为防止静电感应和磁 场感应而设。为了提高抗共模干扰能力对于模拟信 号采用屏蔽浮地技术， 即把几路模拟信号的地连接 在一起， 作为参考零位点， 并使其与结构地或其他导 电物体相隔， 这样可以使结构地系统中的干扰电流 不至于耦合至模拟信号回路。 4 电缆选择与敷设 1 电缆的选择 a ．数字量信号。P L C直流数字量输出模板工 作负载电源为 2 4 V ／ 4 8 V， 信号容许范围较大 ， 同时 信号传输距离不是很远， 因而选用一般电缆。 b ． 模拟量信号。热电阻信号、 测速机信号等属 于小信号， 易受外界干扰， 同时模拟量信号是连续变 化的信号， 其大小由信号的幅度决定， 信号容量小， 为了保证控制精度， 模拟量信号电缆选用双层屏蔽 电缆。 c ． 脉冲信号。对于轴编码器的信号， 选用屏蔽 电缆， 其作用是既防止外来信号的干扰也防止高速 脉冲信号对低电平信号的干扰。 2 电缆敷设 a ． 低电平信号和电源线不许安排在同一条布 线槽内。 b ．直流数字信号和模拟信号线必须与交流电 源线分开布置在布线槽内。 c ． 在同一电缆槽内的电源线与信号线的距离 必须大于一定距离。 d ． 每个输入模拟量使用单独的屏蔽双绞线。 e ． 屏蔽电缆屏蔽层应在控制柜内靠近 P L C一 端接地， 另一端不接地， 屏蔽层切断包在电缆头内。 4 结语 P L C控制系统通过可靠性设计 ， 经过实际运行 表明， 提高了整个提升机系统的自动化水平及运行 的可靠性， 也提高了煤矿的生产效率， 减少了提升机 电控系统的故障次数。 参考文献 [ 1 ] 彭佑多， 张永忠， 等． 矿井提升 机的安全 可靠性分析与设计 [ J ] ． 中国安全科学学报， 2 0 0 2 6 [ 2 ] 谭国俊。 何风有， 周佩华． 基于 P L C控制的矿井提升机冗余操 作保护系统[ J ] ． 煤炭学报， 1 9 9 9 I [ 3 ] 王梦文， 刘立新 P L C控制 系统抗干扰分析[ J ] ． 煤 矿机械， 2 0 0 5 3 作者简介 秦绪平 1 9 7 7 一 ， 男， 讲师。 2 0 0 6 年毕业于中国矿业大 学， 现在淮海工学院主要从事电力电子与电力传动研究， 发表文章2 篇。 收稿日期 2 0 0 6 0 7 1 7 ； 责任编辑 姚克 维普资讯