利用s7—300 PLC和現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)礦山提升電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引言

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工控領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，建立基于PROFIBUS—DP現(xiàn)場總線的礦井提升控制監(jiān)控系統(tǒng)成為解決礦井安全提升問題的有效途徑。近10 a來，世界上出現(xiàn)了多種有影響的現(xiàn)場總線，其中，PROFIBUS—DP現(xiàn)場總線是一種全數(shù)字化的、串行、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，專為自動控制系統(tǒng)和分散I／O設(shè)備之間通信設(shè)計(jì)。在單根電纜上連接多個(gè)儀表和設(shè)備，傳遞的信息量大、抗干擾性能力強(qiáng)，大幅降低安裝、運(yùn)行和維護(hù)成本，PRO．FIBUS—DP現(xiàn)場總線在礦山提升電控系統(tǒng)中的應(yīng)用可以使系統(tǒng)更可靠、簡便、直觀。

1、 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及主要功能

控制對象為某金屬礦山副井，該副井承擔(dān)著該礦人員和材料提升，還要承擔(dān)井下部分礦石提升任務(wù)。井深為520m，共設(shè)8個(gè)水平中斷，副井提升機(jī)采用2．5m多繩摩擦輪，雙層罐籠配平衡錘方式。直流電動機(jī)驅(qū)動，直流電動機(jī)功率為400kW，正常提升時(shí)速為8m／s。提升特殊材料如炸藥、雷管等，時(shí)速為2m／s，爬行距離為6m，爬行速度0．5m／s。控制監(jiān)控系統(tǒng)均建立在基于ROFIBUS—DP現(xiàn)場總線通訊網(wǎng)絡(luò)之上，如圖1。

1．1 PLC硬件設(shè)計(jì)

PLC選型根據(jù)通用性、標(biāo)準(zhǔn)性、可靠性等原則，系統(tǒng)主站采用德國SIEMENS S7—300 PLC（CPU315— 2DP），站地址設(shè)為2。s7—300 PLC系列的PLC一個(gè)機(jī)架上最多帶8個(gè)輸人輸出和功能模塊。在本副井提升機(jī)控制系統(tǒng)中使用了5個(gè)輸人模塊SM321和3個(gè)輸出模塊SM322，2個(gè)高速計(jì)數(shù)模塊FM350—1，因此采用了2個(gè)機(jī)架，中央機(jī)架和擴(kuò)展機(jī)架用131365通訊模塊連接。2個(gè)機(jī)架均裝有PS307電源模塊給PLC系統(tǒng)供電。主控系統(tǒng)PLC主要完成邏輯運(yùn)算控制、安全回路控制、速度運(yùn)算和監(jiān)視、行程計(jì)算和保護(hù)等任務(wù)。

地面信號室和+27 m材料裝運(yùn)平臺主要完成控制安全門、搖臺、選擇材料種類、罐籠去向等任務(wù)，為了減輕主控PLC的控制任務(wù)，在信號室配備一臺SIEMENS S7—200 PLC（CPU226）完成上述功能，一塊EM223用于輸入輸出點(diǎn)數(shù)擴(kuò)展。在CPU226上擴(kuò)展一塊EM277通訊模塊。CPU226作為智能從站通過EM277掛接在PROFIBUS—DP總線上，該站作為S7— 300 PLC的從站，地址設(shè)為4。1～8’水平中段位于井下，主要完成采集本中段井筒開關(guān)信號，控制安全門、搖臺，上下調(diào)罐、向地面信號室發(fā)出各種呼罐信號等任務(wù)。

各中斷采用ET200M遠(yuǎn)程控制站與地面PLC通訊，ET200M是基于PROFIBUS—DP現(xiàn)場總線的分布式控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)共有8個(gè)ET200M分布式I／O從站。每個(gè)ET200M分布式I／O從站有2個(gè)SM321數(shù)字輸人模板，1個(gè)SM322數(shù)字輸出模板。所有的ET200M從站通過本站通訊接口模板IM153通訊接口與PROFIBUS—DP現(xiàn)場總線相連。其遠(yuǎn)程站地址依次設(shè)為5一l2，與S7—300 PLC完成提升控制數(shù)據(jù)交換。

1．2 全數(shù)字直流調(diào)速硬件設(shè)計(jì)

傳動部分采用西門子SIMOREG DC—MASTER直流調(diào)速裝置，型號為6RA7093—4DV62—0。用于向提升直流電動機(jī)的電樞和磁場供電，通過PROFI．BUS—DP現(xiàn)場總線通訊網(wǎng)絡(luò)接受和執(zhí)行主PLC下達(dá)的運(yùn)行速度、加速度上升和下降時(shí)間等各項(xiàng)指令，完成提升機(jī)運(yùn)行參數(shù)的調(diào)節(jié)功能。調(diào)速裝置配備有PROFIBUS—DP現(xiàn)場總線接口，它可以作為S7—300PLC的一個(gè)從站。通過總線連接器與S7—300 PLC、S7—200 PLC、ET200M形成一個(gè)PROFIBUS—DP現(xiàn)場總線通訊局域網(wǎng)，完成各種數(shù)據(jù)交換功能。除了要在主站中設(shè)置連接外，還要對調(diào)速裝置自身的一些功能參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，才能保證主站和從站間的正常通信。參數(shù)P918用來設(shè)定從站的總線地址，本設(shè)計(jì)中其從站地址設(shè)為3，實(shí)現(xiàn)對PLC控制字，給定值狀態(tài)字的讀寫。

1．3 繼電器控制回路設(shè)計(jì)

繼電器控制回路包括：安全制動控制、一級制動控制、二級制動控制、提升機(jī)開?？刂啤⒎较蚩刂?、提升機(jī)減速控制、潤滑油站控制、液壓站控制回路等，它與PLC回路共同組成多重保護(hù)。繼電器回路和PLC回路既相互有機(jī)結(jié)合又保持相對獨(dú)立，當(dāng)PLC故障暫不能投人時(shí)．仍可在系統(tǒng)保證基本安全的條件下應(yīng)急開車。

1．4 系統(tǒng)基本功能

提升系統(tǒng)主要工作過程為：司機(jī)在看到允許開車信號以后，按下開車按鈕，由主PLC控制系統(tǒng)自動判斷開車去向，自動實(shí)現(xiàn)提升機(jī)開車、加速、等速、減速、爬行、停車的全過程。同時(shí)PLC監(jiān)視提升機(jī)運(yùn)行過程中的安全狀況，發(fā)現(xiàn)問題自動采取相應(yīng)對策。脈沖軸編碼器作為提升系統(tǒng)的行程和速度的測量器件，具有很高的測量精度。在提升機(jī)的電機(jī)軸和導(dǎo)向輪上，各安裝一個(gè)脈沖軸編碼器進(jìn)行同步測量，其計(jì)數(shù)值進(jìn)人FM350—1計(jì)數(shù)模塊計(jì)數(shù)，PLC對計(jì)數(shù)結(jié)果進(jìn)行分析和控制，完成提升位移、速度計(jì)算控制和顯示功能。一般以導(dǎo)向輪上脈沖軸編碼器計(jì)數(shù)為準(zhǔn)，如果2個(gè)脈沖軸編碼器計(jì)數(shù)值不一致，當(dāng)其誤差達(dá)到一定值時(shí)，說明鋼絲繩打滑，PLC將發(fā)出報(bào)警信號。

2 、軟件設(shè)計(jì)

S7—300 PLC用西門子公司STEP7軟件編程。STEP7將用戶程序指令存放在“塊”中，本控制系統(tǒng)主要有4類用戶程序：功能Fc（Function）、功能FB（FuncTIon block）、組織塊OB（OrganizaTIon block）和數(shù)據(jù)塊（Date block），其中FB和Fc作為OB的子程序。主循環(huán)模塊OB1中存放所有用戶程序以待執(zhí)行，也可以將用戶程序存放入不同的功能模塊中，只在OB1中調(diào)用，需要時(shí)才執(zhí)行。PLC的CPU中的操作系統(tǒng)在系統(tǒng)啟動后將連續(xù)循環(huán)掃描執(zhí)行OB1，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的控制。本系統(tǒng)使用了3個(gè)OB塊（OB10、OB100、0B35）。OB100為加電啟動組織塊。在該組織塊中編制有關(guān)系統(tǒng)參數(shù)初始化的程序。該組織塊僅在系統(tǒng)加電起動后運(yùn)行一次。0B35為中斷組織塊，它的主要功能是產(chǎn)生時(shí)間中斷，本系統(tǒng)時(shí)間中斷時(shí)間設(shè)為20 Ills，本系統(tǒng)利用OB35的時(shí)間中斷功能計(jì)算提升速度和加速度。OB1為循環(huán)運(yùn)行組織塊，即用戶主程序部分，提升系統(tǒng)PLC主程序流程框圖如圖2所示。

2．1 提升系統(tǒng)行程校正控制

在提升過程中，位置和速度的測量是利用FM350—1高速計(jì)數(shù)模塊接受裝在導(dǎo)向輪脈沖編碼器的脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)算出提升位置值、加速度值和速度值。但在提升過程中，由于鋼絲繩的蠕動、打滑和導(dǎo)向滾筒襯墊的磨損等因素會對脈沖編碼器計(jì)數(shù)結(jié)果產(chǎn)生現(xiàn)偏差，導(dǎo)致深度位置計(jì)算誤差，影響系統(tǒng)安全運(yùn)行。解決辦法是利用地面停車井筒接近開關(guān)校正，提升罐籠在每次向上運(yùn)行過程中遇到該開關(guān)時(shí)，將該井筒開關(guān)所在位置的標(biāo)準(zhǔn)脈沖計(jì)數(shù)值寫入PLC中，減少編碼器因某種原因造成的計(jì)數(shù)誤差對提升狀態(tài)的影響。

2．2 速度曲線監(jiān)視控制

一旦運(yùn)行方式、提升種類、去向確定，PLC將設(shè)計(jì)好的速度運(yùn)行曲線命令6RA70全數(shù)字直流裝置執(zhí)行，提升運(yùn)行速度曲線如圖3。

圖3中， 段為加速段，，4B為等速段，BC為減速段，CD為爬速段，E為停車點(diǎn)。PLC根據(jù)脈沖軸編碼器的脈沖計(jì)數(shù)信號，即可確定提升機(jī)所處的位置并計(jì)算出此時(shí)的給定速度。當(dāng)實(shí)際速度超出給定速度15％的時(shí)候，控制系統(tǒng)自動報(bào)警并實(shí)行安全制動。這種連續(xù)速度包絡(luò)線監(jiān)測使提升機(jī)在提升全過程處于安全運(yùn)行狀態(tài)。

2．3 自動準(zhǔn)確停車控制

礦山經(jīng)常碰到這樣的情況：為了準(zhǔn)確停車，司機(jī)反復(fù)上下調(diào)罐，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)事，大大影響提升效率。罐籠準(zhǔn)確停車是衡量礦井提升控制系統(tǒng)性能優(yōu)劣的主要標(biāo)志。本系統(tǒng)較好地解決了這個(gè)問題，其原理是利用脈沖編碼器的行程控制功能實(shí)現(xiàn)。在實(shí)現(xiàn)停車控制時(shí)以PLC中“軟”停車點(diǎn)為主，而且故意將這個(gè)“軟”停車點(diǎn)脈沖數(shù)比標(biāo)準(zhǔn)停車脈沖數(shù)增加一定數(shù)值，罐籠接近某中段停車位時(shí)，罐籠以低速爬行到達(dá)停車位，此時(shí)井筒開關(guān)動作，罐籠在低速爬行過程中準(zhǔn)確停車，誤差幾乎為零，完全滿足礦山提升要求。

2．4 自由落體安全保護(hù)控制

提升系統(tǒng)常規(guī)保護(hù)控制有制動油壓過高或過低、上下過卷、超速、閘瓦磨損、錯(cuò)向開車、編碼器故障、尾繩故障等保護(hù)控制。但這些故障保護(hù)絕大部分是在罐籠上下提升過程中才建立實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上罐籠在靜止?fàn)顟B(tài)下也必須有安全保護(hù)。某礦山曾出現(xiàn)過提升箕斗在停車維修狀態(tài)中，由于維修工人誤動液壓站可調(diào)線圈，而導(dǎo)致箕斗平衡錘自由落體，高速掉人幾百米深的井底事件，導(dǎo)致巨大經(jīng)濟(jì)損失。自由落體安全保護(hù)控制設(shè)計(jì)思路是：在沒有開車信號時(shí)，PLC在循環(huán)掃描周期內(nèi)不斷對脈沖編碼器脈沖數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，一旦脈沖數(shù)改變值在一定時(shí)間內(nèi)的變化量大于給定值，即可視為自由落體故障，強(qiáng)行使液壓站油泵電機(jī)斷電，從而實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)。

3、 上位機(jī)組態(tài)設(shè)計(jì)

上位機(jī)選用西門子工控計(jì)算機(jī)，并配打印機(jī)。

組態(tài)軟件選用SIEMENS公司W(wǎng)inCC5．0 SCADA組態(tài)軟件。PC機(jī)中安裝CP5611通訊板與S7—300 PLC上集成MPI接口通過MPI專用電纜構(gòu)成MPI通訊網(wǎng)絡(luò)，該通訊方式以較少的通訊成本完成上位機(jī)與主控PLC的數(shù)據(jù)交換。

上位監(jiān)控系統(tǒng)分為系統(tǒng)管理、運(yùn)行監(jiān)視、報(bào)表打印、故障報(bào)警和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置等5個(gè)基本組態(tài)模塊構(gòu)成。每個(gè)模塊下有若干子模塊組成?？蓪?shí)現(xiàn)對提升系統(tǒng)罐籠位置、速度顯示、液壓站、潤滑泵、電機(jī)、調(diào)速裝置、各中斷安全門、搖臺、井筒開關(guān)信號等工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。同時(shí)還具有事故報(bào)警、人員提升次數(shù)、礦石提升產(chǎn)量計(jì)量等報(bào)表統(tǒng)計(jì)功能。對提高礦井提升系統(tǒng)安全可靠性和提高礦山生產(chǎn)效率，起著重要的作用。

4、 結(jié)語

在礦山提升電控系統(tǒng)采用PROFIBUS—DP通訊網(wǎng)絡(luò)后，以單個(gè)分散的、數(shù)字化、智能化的測量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通過現(xiàn)場總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)完成礦井提升數(shù)據(jù)交換。這種設(shè)計(jì)思路最大的優(yōu)點(diǎn)是使礦山提升系統(tǒng)操作集中、管理集中，但卻使系統(tǒng)危險(xiǎn)分散、控制分散。該系統(tǒng)已在某金屬礦投入使用。運(yùn)行以來，性能穩(wěn)定、安全可靠，經(jīng)受了數(shù)萬次的提升考驗(yàn)，為礦山帶來了較大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。