基于PLC與組態的礦用提升機在線監測系統的開發

龔文

（大同煤礦集團公司 四臺礦，山西 大同 037007）

基于PLC與組態的礦用提升機在線監測系統的開發

龔文

（大同煤礦集團公司 四臺礦，山西 大同 037007）

礦用提升機的正常運行對煤礦安全生產至關重要。分析提升機系統及其監測現狀的基礎上，采用PLC與組態軟件，開發了礦用提升機在線監測系統。該系統包括：對監測數據進行采集傳送的下位機PLC和對監測數據進行顯示保存的上位機監測軟件，具有良好的可擴充性、可修改性、可移植性、可維護性，性能穩定可靠，操作簡單，便于推廣，已投入實用，并取得了良好效果。

狀態監測；組態；PLC；提升機

隨著計算機、通訊、網絡、控制技術的發展，新技術已用于工業自動化控制領域。對于礦用提升機來說，應用數據采集系統和組態監測系統可實現在線實時監測，完成對提升機的信息化管理，保證礦井提升系統的安全生產。

1 監測系統整體方案

1.1 監測對象分析

研究對象為雙筒纏繞式礦井提升設備，主要包括：罐籠、提升鋼絲繩、提升機輥筒、提升機電機等。本系統主要對其地上大型固定設備的運行狀態進行在線監測，主要有：提升機運行速度的監測、液壓制動系統的監測、潤滑油壓的監測，閘瓦間隙的監測、電動機的電壓電流及其軸瓦溫度的監測等。

1.2 監測系統構成

監測系統主要分為：底層傳感器、設備層、監測層，見圖1。底層傳感器包括霍爾傳感器、溫度傳感器、潤滑傳感器、制動油壓傳感器、測速電機電壓、測速電機電流等。設備層即下位機，采用了和利時公司的LK PLC；監控層為運行在上位機的組態監測。傳感器是采集監測數據的底層設備，由傳感器采集的監測數據通過屏蔽雙絞線傳送至設備層下位機即PLC采集模塊；PLC的CPU通過工業交換機，將監測數據通過Modubus通訊協議，按一定的地址換算關系映射到上位機；上位機軟件接收監測數據，進行實時顯示并做進一步的處理。

圖1 監測系統結構

組態軟件具有良好的開發環境，具有實時多任務的工作特性和監測功能，并有豐富的圖形動畫功能，所有采集的數據都可通過圖形動畫表現出來，為開發者提供了非常理想的平臺[5]。本系統采用模塊化、層次化的思想進行編寫，可使系統充分發揮其功能，能滿足監測功能，而且操作簡單，界面直觀，可靠性高，維護簡便。在硬件搭建的基礎上，通過下位機PLC對各監測參數進行采集傳送，利用組態軟件完成對監測對象模型的抽象和構建，依據系統的設計要求，設計了信號采集、參數設置、數據處理、比較報警、曲線存儲、報表查詢等模塊，將采集到的監測數據實時顯示，并存儲到數據庫，以便維修和決策提供客觀準確的參考依據。

2 PLC對數據的采集傳送

監測系統下位機選用和利時PLC的LK系列，通過數據擴展模塊采集由底層傳感器采集的監測數據，通過Modubus-TCP協議與上位機監測軟件進行數據通訊，完成對整個監測系統數據從底層采集到向上位監測系統傳送的功能，因此是聯系底層設備與上位監測的中樞，見圖2。

圖2 監測數據傳送流程

PLC作為整個監測系統數據采集與傳送的核心，首先是通過數據采集模塊，采集從底層傳感器得到的監測數據，程序模塊見圖3。其中第二引腳CPU地址通過撥碼得到。本系統采集的監測數據為模擬量及I/O量。模擬量主要包括：提升機電機的電壓、電流，電機軸瓦溫度，測速電機電壓、電流，輥筒的閘瓦間隙，潤滑油壓，制動油壓等。I/O量主要包括：正向開車，反向開車，上行打點，下行打點，正向過卷，反向過卷，松繩保護，安全回路，停車到位信號等。

圖3 數據讀取模塊

監測數據從底層傳感器傳至PLC的CPU過程中，分為兩類形式：一種是由傳感器采集直接傳到PLC的采集模塊，另一種是由傳感器采集后先在智能儀表上顯示，然后利用RS485通訊協議傳至PLC的CPU。第一類監測數據例如輥筒的閘瓦間隙。閘瓦間隙由安裝在輥筒上的霍爾傳感器，通過屏蔽雙絞線直接傳送到PLC的LK411模塊，這類數據可直接傳送至下位機，因此不需要編程。另一類監測數據例如提升機電機的電壓電流及其軸瓦溫度。監測數據由智能儀表向PLC傳送時，首先要映射為PLC中的一個虛擬設備，見圖4。在PLC中為傳送上來的監測數據開辟一定的存儲空間，為了增加數據傳送的穩定性，要為向上位機傳送的數據再開辟一定的存儲空間。本監測系統中用到兩種智能儀表，其寄存器的首地址并不相同，要將寄存器的首地址設為變量，循環讀取監測數據。PLC CPU采集到的監測數據，還要向上位機組態監控軟件傳送，在上位機監測軟件中還要映射為一個虛擬的設備，同樣需要有一個地址，見圖5。

圖4 設備映射模塊

圖5 上位映射模塊

3 組態監測軟件的設計開發

提升機狀態監測軟件設計以組態軟件為開發平臺。在功能上，監測軟件由單純的數據顯示向曲線圖形化綜合顯示拓展。在方式上，智能儀表和過程的可視化代替了傳統的指針儀表及數字顯示。在軟件開發環境上，可視化、圖形化組態環境代替了傳統的編程模式。此組態監測軟件支持各種工控設備和常見的通信協議，并且提供分布式數據管理和網絡功能，包括：工程管理器、工程瀏覽器、圖形開發界面、圖形運行界面、實時數據庫管理、I/O驅動程序等[6]。提升機狀態監測軟件實時采集由下位機PLC傳送的數據，對提升機的運行狀態進行實時監測，出現異常及時報警并記錄；具有實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線、數據庫存儲查詢功能；結構分為：系統登錄、監測中心、數據處理。

3.1 系統登錄及監測中心

系統進入運行狀態時，首先與數據庫相連接，啟動系統登錄界面。在此用戶需要登錄，系統確認用戶身份并賦予相應的管理及操作權限。用戶登錄系統后進入上位機主顯示界面監測中心，見圖6。監測中心對提升機的各主要部分進行了模型化抽象，用圖形化語言顯示了提升機罐籠、電機、輥筒的運行狀態，用實時曲線顯示了提升機罐籠的運行速度，用數據表格的形式顯示了提升機的監測參數，抽象化模型真實地反映了提升機系統的實時運行狀態。

圖6 系統監測中心

由霍爾傳感器及測速電機電壓得到的監測參數，準確地顯示出提升機罐籠實時的位置及速度。根據提升機的技術參數指標得到其罐籠運行時的標準速度曲線，實時曲線對比，可校正司機的開車習慣，使開車操作更加科學規范，從而保證生產的安全正常運行。裝在輥筒軸瓦上的霍爾傳感器采集到的監測數據，可實時顯示各閘瓦的間隙，當有間隙過大時監測數據在上位機會顯示為警報色，提示技術人員對相關設備及時進行檢查維修。

3.2 數據處理

系統的上位機數據處理界面包括：趨勢曲線界面、數據庫界面、報警界面。趨勢曲線界面包括實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線。實時趨勢曲線可實時反映各監測參數的變化趨勢，利用歷史趨勢曲線可對各監測參數的歷史記錄進行在線查詢，了解各監測參數的歷史變化趨勢，見圖7。數據庫界面包括數據庫的創建、配置、數據的存儲及查詢等功能，選定要記錄的監測數據存儲到配置的數據庫中，系統會按配置的要求對數據進行存儲，當對設備進行維修時可在線查詢數據庫中所記錄的數據，從而可使維修工作更加科學、規范、有針對性。當提升機系統在運行過程中出現異常情況，監測系統的報警界面會自動彈出，同時出現語音報警，提示技術人員提升機系統已出現異常、應采取相應的措施，報警一旦出現需要人為確定才能終止此次報警。

圖7 趨勢曲線

4 結論

礦用提升機的正常運行，對煤礦安全生產至關重要。分析了提升機系統及其監測現狀的基礎上，經對提升機各部分進行分析及模型抽象，利用PLC作為下位機對數據進行采集，通過數據通訊協議等將數據傳送到上位機進行圖像化綜合顯示，構建了提升機運行狀態在線監測系統。通過本監測系統可以獲取提升機實時運行狀態信息，對運行過程中出現的故障早期預警采取相應措施，可減少甚至避免事故的發生，提高了煤礦運行的安全性，獲得了可觀的經濟效益。

[1]李錄鋒,張玉鳳.基于工控機的礦井提升設備監控系統設計[J].礦山機械.2006(12):72-74.

[2]夏戰國,張磊,牛強,夏士雄.基于OPC的礦井提升機監測數據通信系統[J].微計算機信息.2008（10）：117-119.

[3]張秀平.礦井提升機監測系統的研究與實現[J].工礦自動化.2007（7）：78-79.

[4]段楠,劉杰輝,王桂梅.基于LabVIEW的礦井提升機監測系統[J].礦山機械.2007(6):81-82.

[5]楊澤青,劉麗冰,楊偉東,張亞彬.基于組態的曲軸數控加工過程監控系統的研究[J].制造技術與機床,2010(1):135-140.

[6]付勝，朱全.礦用通風機遠程狀態監測與故障預警的研究[J].中國煤炭.2008(4):44-46.

Online Monitoring System Development of Hoisters in Mines Based on PLC and Configuration

GONG Wen
(Sitai Mine,Datong Coal Group,Datong Shanxi 037007)

Hoisters are very important for safety production in mines.Based on the analysis of hoister system and its monitoring situation,the online monitoring system was developed with PLC and configuration software.The system includes lower machine PLC which samples and transmits monitoring data and upper machine monitoring software which displays and saves the data.The system can be easily expanded,modified, transplanted and maintained.Its stability and simplicity are easier to spread.The practice has achieved good effects.

condition monitoring;configuration;PLC;hoister

TD67；TP306

A

1672-5050（2012）02-0077-04

2011-11-05

龔 文（1971—），男，山西懷仁人，本科，工程師，從事煤礦機電管理工作。

劉新光