采用羅克韋爾ControlLogix+FlexI/O系統在舞陽八臺礦副井提升機改造中的應用

郝莉　李澤光　李磊

(安陽鋼鐵集團公司)

采用羅克韋爾ControlLogix+FlexI/O系統在舞陽八臺礦副井提升機改造中的應用

郝莉李澤光李磊

(安陽鋼鐵集團公司)

摘要舞陽八臺礦副井提升機原系統采用西門子S7300+S7200系列PLC構成，其通信協議為Profibus-DP。由于系統初期投入時，監控及安全保護單元設計不完善，提升機系統經常出現滑繩、頻繁停車等故障，嚴重影響了礦井的生產，給礦井的工作和安全埋下了極大的隱患。為了解決這一日益突出的問題，對其PLC系統進行了全面升級改造。

關鍵詞ControlLogix安全保護回路S型速度曲線

APPLICATION OF ROCKWELL CONTROLLOGIX+FLEXI/O SYSTEM ON EIGHT MINE AUXILIARY SHAFT LIFTING TRANSFORMATION IN WUYANG

Hao LiLi ZeguangLi Lei

(Anyang Iron and Steel Group co.,Ltd)

ABSTRACT Wuyang eight sets of mine auxiliary shaft lifting machine system is composed of Siemens S7300+S7200 series PLC and the communication protocol of Profibus-DP. Due to the initial investment in the system, the monitoring and safety protection unit design is not perfect, the hoist system often appears the fault, such as slip line, frequent parking and so on, seriously affect the mine production, to mine work and safety buried a great hidden trouble. In order to solve this problem, the PLC system has been upgraded.

KEY WORDS ControlLogixsecurity loopS curve of speed

0引言

舞陽八臺礦副井提升機是舞陽八臺礦副井的一條生命線，原系統自投產后，經常出現無故滑車、停車，而且模塊在潮濕的作業環境下，已經生銹腐蝕，更換率大大增加，給生產和生命造成了很大的危害。通過采用特殊模塊的系統進行系統改造，增強系統的保護保證提升機穩定安全地工作。

1系統改造方案

1.1硬件系統

考慮到井下的特殊作業環境，采用羅克韋爾公司的ControlLogix+Flex 1794系列帶涂層保護DCS模塊，傳動主站及監控主站由ControlLogix組成，針對卷揚操作站、井口及井下十層作業面，各設一個1794 I/O分站，通過光纖工業以太網通信模式，構成一個結構開放的網絡，使各個工作單元有效地進行數據的交換。全數字化系統使系統硬件結構單一、參數穩定且調整方便、可方便地與上位機聯網。其硬件系統網絡配置圖如圖1所示。

圖1系統網絡配置示意圖

采用無線遙控器控制，使提升機系統操作得到簡化，從而實現了高效控制。一個遙控器對應多個接收器的模式，通過接收器直接接入各層的1794分站，可以對罐籠的行程情況進行實時監控、快速反應，使檢修人員可以站在罐籠中對提升機進行慢動上、慢動下的動作控制，也可讓信號員操控停在任一層面上。

傳動主站采用冗余DCS系統，實現電源冗余、控制系統CPU冗余、以太網冗余。上位操作員站也采用一用一備冗余配置。整個系統的冗余控制，一旦網絡及控制設備出現故障時，可以進行快速無擾切換。冗余配置圖如圖2所示。

圖2冗余系統配置圖

1.2軟件系統

PLC組態及參數配置、下位機監控系統的編程均在RSLOGIX 5000 V10.0環境下完成，上位機監控軟件中人機界面的設計采用FactoryTalk View SE V6.0軟件，完成信號采集、數據處理、數據儲存、數據與查詢功能，并處理和各項功能的邏輯關系。實現安全回路、自鎖功能保護、自動平滑調速度等功能，大大提升了提升機的安全運行性能。

通過監控畫面可動態顯示罐籠在井筒內的運行位置及其瞬時速度及提升次數，實時反映罐籠的運行情況，通過歷史記錄及打印功能實現罐籠運行數據的儲存及查詢，便于對罐籠運行故障的判斷及分析。

信號指示系統，定義各種信號燈，實現井下各個層面信號燈閃爍、常亮，實現選層、當前位置及行進方式的提示。方便了井下信號員的操作。

對罐籠的快上、快下、慢上、慢下、停車、緊急停車、事故停車等信號進行語音編輯語音進行播報，使信號員清楚確認罐籠的運行方式，減免了誤操作引起的事故。

閘瓦間隙監控系統，通過與閘瓦系統的檢測系統的重要監測點之間建立通信，在DCS主站集中實現對閘瓦間隙地實時監控與報警機制，在閘瓦間隙超過安全設定時，直接進行報警停車，有效地提高了提升機運行的安全性和可靠性。

在監控畫面上直觀顯示各個I/O站點及主站模塊的工作及運行狀態、錯誤標志，給故障的查找提供了依據，并引入聯鎖控制，有效地杜絕因網絡及模塊故障安全事故的發生。

在系統中搭建運動曲線模型，使罐籠自動按照變速曲線進行無級變速，實現平穩、平滑地啟動、加速、減速及停車，有效地減免了罐籠行進中地搖擺頻率，減少了對電機及制動系統地機械沖擊，延長了鋼絲繩的使用壽命。

2系統方案實施

根據現場要求，首先進行了硬件系統的升級改造工作。其次，按照系統改造方案，利用RSLOGIX 5000 V10.0及FactoryTalk View SE V6.0軟件實現提升機的保護連鎖程序及上位監控畫面，與操作臺、遙控器信號一起構建簡易直觀的安全操作監控系統。

2.1安全保護回路

2.1.1測速、定位及超速保護

主控DCS將增量式光電編碼器信號經過1756-HSC高速計數模板計數完成行程及位置檢測。計數器采用編碼器X1模式，經過累計正轉與反轉的脈沖個數經CPU計算可以得出速度，即可在上位機顯示，也可通過1756-OF8輸出4 mA～20 mA信號給轉速表，實現速度的監測。當速度超過安全值時進行超速保護，輸出事故停車。

2.1.2過卷保護

在程序中設定過卷軟保護上、下限，當前的計數值與設定值進行比較，實現軟過卷保護，另外，在井口處設計兩個硬過卷保護開關，輸入信號至DCS及繼電器安全回路，形成系統的硬過卷保護，這兩個過卷保護信號共同作用于安全回路，為提升機的安全運行設置雙重保護。

2.1.3編碼器故障及滑繩保護

利用主滾筒和天輪各裝的兩套編碼器分別與傳動主站及監控主站的兩個高速計數模塊，對應每套編碼器分別計數，通過編程比較兩套計數值，形成互為監視。如果差值超出安全值時，發出故障信號，事故停車。在程序中設定滑繩范圍，當兩者差值超出滑繩范圍時，則輸出滑繩故障，進入事故停車狀態。

2.1.4方向保護

當DCS輸出一個方向時，提升機必須按此方向運行，若提升機按相反方向運行，則安全回路動作。通過程序對提升、下降進行自鎖，并鎖定動作信號，若緊急停車或故障停車后開車，手動解除方可進行換向。

2.1.5液壓站保護

液壓站采用DCS控制電控信號，分別對制動及潤滑油壓進行監控，設定殘壓限值，引入殘壓保護機制，設置電磁閥故障、殘壓過高以及液壓油溫度過高等故障顯示功能,不僅給液壓站的維護帶來方便,而且提高了系統的可靠性。

2.1.6變頻器故障保護

采用DeviceNet網絡，設置變頻器節點網絡地址為5，通訊速率為125 Kbit/s，通過對INPUTWORD及OUTPUTWORD的定義，實現對變頻器的故障、準備好以及電流、轉速、功率的實時監控。

2.2PLC自鎖保護

本系統包括防突然反向自鎖、開車條件自鎖、離站自鎖、停車自鎖、速度度調節器自鎖等自鎖功能。通過DCS的梯形圖實現，從而提高了安全運行系數。

2.2.1防突然反向自鎖

對提升機上升和下降信號進行互鎖，輸出方向后，提升的方向不可任意更改，若提升機按相反方向運行，則輸出故障，從而使安全回路動作。

2.2.2開車條件自鎖

將變頻器檢測信號、閘瓦間隙檢測信號、液壓站檢測信號、安全回路信號等信號引入開車回路中進行自鎖，防止誤動作。

2.2.3離站自鎖

松閘指令發出以后，或者是制動手柄已經處于“松閘”位置，延時一定時間后，檢測速度達到預定值，否則輸出故障信號并使安全回路立即動作。

2.2.4停車自鎖

在停車期間，方向指令不輸出，提升機不能運行，如果提升機由于某種原因而運轉起來，則輸出故障信號使安全回路立即動作。

2.2.5速度調節器自鎖

若速度調節器未解鎖，若松閘，則安全回路運作；若速度調節器解鎖，延時設定時間后，閘仍沒有松開，則必須重新封鎖調節器，以免堵轉。

2.3自動調速曲線

在監控DCS主站中建立速度曲線，將操作信號、保護信號及一些行程參數與軸編碼器信號結合起來，自動產生提升機所需的速度給定信號的運行曲線，為了減少起動、制動過程中的機械沖擊，提高提升機控制精度，速度給定信號的加速、減速段為“S”型曲線，減速段行程通過DCS實際運算來調節減速度以保證減速段為一固定值，從而保證了停車不變和停車點的精度。

目前，提升機采用的給定方式有兩種：一是給定速度為時間的函數(V=f(t)),二是給定速度為行程的函數(V=f(s))。由于行程給定方式當負載波動時爬行段的距離基本不變，優于時間給定方式，所以本系統采用行程給定方式。利用DCS，由程序實現提升運行速度曲線的S化(即通過限制加速度a的變化率)，產生S型速度給定曲線，并且通過修改有關提升控制參數，無論是加速段還是減速制動段，都可以產生所期望的速度給定曲線。

根據程序調試方便，參數可能以任意修改的特性，用程序實現S型速度曲線，其參數不隨便外界變化，而且可以任意修改，以達到預期的加速度變化率。其速度給定示意圖如下圖3所示。根據實際運行最大速度Vm的變化，根據核算法預先計算出t5、t6、t7相對應的實際減速點位置，其程序流程圖如圖4所示。

圖3S型速度給定示意圖

圖4S型速度控制程序流程圖

3改造后的取得的效果

1)完善的保護系統，避免了系統改造前滑繩、無故停車故障對礦井生產的影，提高了系統的可靠性。

2)自鎖系統的投入，從根本上解決了因為誤操作引起的提升機的動作故障，從而提升了整個系統的穩定性。

3)每層分步式分站控制，增強了整個系統的穩定性，特別是對站點各個模塊以及通道狀態的實時監視，可以對外圍的信號以及硬件故障較早進行預控。

4)冗余DCS系統，減少了因DCS硬件接口故障引起的系統故障，提高了系統容錯的能力。

5)光纖以太網的應用，減少了信號傳輸的干擾，增強了DCS控制系統的可靠性。

6)S型速度曲線模型的引入，減少了鋼絲繩的應力，緩和了鋼絲繩的受力情況，消除了提升系統沖擊，減少了振動。另外，由于加速度的連續變化，提升機也由一個運行階段轉身另一個運行階段的過程中速度是平滑過渡的，大大降低了提升速度反超的程序，對調速系統來說則降低了由于反超調引起的振蕩程度，從而運行平穩。

4結束語

舞陽八臺礦的副井提升機系統全自動化運行的實現，極大的提高了系統的可靠性、運行效率，以及控制的精確性，減少了人為因素的影響，使提升機系統成為具有自動判斷、顯示故障，自我調整運行速度，多重互鎖和后備保護，實現遠程監測等全自動化、智能化的控制系統。為礦山進一步實那數據采集離散化、設備控制智能化、調度操作集中化、生產管理信息化、辦公管理自動化等綜合自動化礦井打下堅實的基礎。

5參考文獻

[1]楊海龍，基于PLC的礦井提升機電控系統的研究[J]，數字技術與應用，2014(6):16.

[2]李曉光，基于PLC技術的礦井提升機電控系統的若干思考與研究[J]，科技與企業，2012(11):98.

[3]范迪慶，吳子岳，礦井提升機S型速度曲線的模型研究[J]，煤礦機械，2006(2):241.

第三類彌散細小的粒子消失了，最小的粒子尺寸也有50nm且數量也減少了。因此，相比250℃回火后的各個力學性能指標，350℃回火后其性能均有所降低。

收稿日期：聯系人：郝莉，高級工程師，河南.安陽 (455004)，安陽鋼鐵集團公司自動化公司；2015—6—20