基于S7-1200 PLC的煤礦架空乘人裝置多段調速設計

邵 華（大屯煤電公司徐莊煤礦,江蘇 沛縣 221611）

基于S7-1200 PLC的煤礦架空乘人裝置多段調速設計

邵 華
（大屯煤電公司徐莊煤礦,江蘇 沛縣 221611）

摘 要：本文首先介紹編碼器裝置測量實際運行速度的工作原理，并通過S7-1200PLC對實際的速度進行采集和數值處理，同時完成裝置高中低三段速度調節。然后把相關控制量分別組態到觸摸屏和上位機上。通過變頻器的多段調速控制，實現根據實際負載情況進行速度的調節，同時實現了現場監控和遠程控制。

關鍵詞：架空乘人裝置；S7-1200PLC；變頻器；編碼器

0 引言

架空乘人裝置是煤礦井下人員運輸的主要工具之一，其主要功能是實現人員的輸送，從而縮短上班路上時間的拖延，以及減少人員行進中的體力消耗。經過實際的調研，根據架空乘人裝置負載情況可分為三種運行狀態。滿載：當上下班高峰時，人員基本達到上線人數或者接近額定個數，此時運行速度很慢。正常情況：一般情況下，人員不是很多，及正常情況下的運行。空載：一般為了試運行或者維修吊椅，或者用于偶爾有個別人員的乘車情況。根據以上情況本文設計，根據電機基本原理，滿載時通過變頻器給出高頻率輸出，空載時采用低頻率接入運行，正常時則用中間規定頻率接入運行。同時在上位機和就地設置三個頻率的轉換開關以及顯示功能。通過本設計不僅提高滿載運行時的人員輸送效率和節約空載時電能消耗，并且通過上位機和觸摸屏實現實時運行狀態監控功能。

1 編碼器測速方法及工作原理

本裝置采用的BQH24礦用本安型編碼器是一種旋轉增量式編碼器，其原理是通過旋轉得到測量的脈沖個數來轉化出速度，所以編碼器測速裝置通過機械設計與轉動輪組成同軸轉動裝置，這樣測量到的速度就是鋼絲繩的實際運行速度。

該編碼器是多通道編碼器，在此用其中A相通道，其輸出脈沖是2000個，即每轉一圈產生2000個脈沖。已知在系統運行時編碼器與托繩輪同步轉動，因此有相同的角速度，進而得出脈沖與速度的對應轉化公式如下[1]。

N：t時間內采集的脈沖個數

t：采集N個脈沖的時間

D：托繩輪的直徑

v：系統運行的實際速度

其中輪子直徑單位為米，采集脈沖時間為秒，得到的速度單位則為米/秒。由上面公式可知：一般先設定采集脈沖的時間，不宜過長或過短。過長時，當出現速度故障時，在一個采樣周期才能報警，這樣潛在的危險很大；過短時，測量速度不夠精確，且測量值變化太快。經過調試在PLC程序內設置采集脈沖時間t=1s。

2 PLC設計

2.1 高速脈沖端口設置

本裝置采用西門子S7-1214DC/DC/DC型號CPU作為核心控制器，其自帶14點輸入/10點輸出，在此分配的物理地址為IB0、IB1/ QB0、QB1。經過驗證該CPU集成的輸入點讀取頻率已經不能滿足此編碼器的脈沖頻率，因此開啟了集成I/O高數脈沖端口屬性[2]，在此選用輸入點I0.2，其軟件設置分為三個步驟如下。

（1）打開項目軟件，在設備組態上選中CPU，并選擇 “屬性”選項夾，選擇高速計數器HSC2。

（2）功能設置，為了完成本系統需要，設置選取的計數類型、工作模式、頻率測量周期等具體如圖1所示。

圖1 啟用高速脈沖的軟件功能設置

（3）設置輸入起始地址，默認尋址地址是1004，在此為了與已用地址不沖突改為996。

2.2 變頻器與PLC的連接和設置

本系統采用西門子MM440變頻器進行電機的多段調速，PLC與變頻器的簡要電氣接線示意圖如圖2所示。

圖2 電氣接線示意圖

為了增加可靠性[3]，PLC的輸出與變頻器連接時可以增加三個中間繼電器。當DIN1端子與變頻器的24V（端子9）連接時對應頻率35Hz，當DIN1端子和DIN2端子同時與變頻器的24V（端子9）接通時對應頻率是40Hz，當三個都連接時，對應45Hz，也就是對應的高中低檔，滿足滿載、正常、空載需要。

根據電機參數以及多段調速等要求變頻器主要參數設置如表1所示。

2.3 程序設置

本系統PLC硬件組態和軟件編程在TIA Portal V13設計實現。在硬件組態時，設置啟動CPU高速脈沖計數點I0.2屬性，軟件平臺編程一般采用模塊的方式，在編碼器測速的這個模塊中，公式一對應程序如圖3所示。

表1

圖3 PLC數據運算程序段

對應上述公式可知，程序段2中MUL功能塊中的IN2是根據現場輪子直徑以及單位換算得出的數據，DIV功能塊中的IN2是編碼器的額定輸出脈沖值2000。顯然最終MD4304得出的值即是以m/s為單位的測量速度大小。

另外，程序內還要設置高于或低于MD4300值的20%作為報警的最大上下界限，顯然不是參考MD4304的20%，并在此范圍內進行高中低檔的調速控制，即在整個過程中，速度保護是投入的，彼此之間的數值關系需要現場進行精確調試，把上下線的設置和高中低檔頻率的設定進行綜合考慮。

3 觸摸屏顯示

觸摸屏選用型號為PT070-4BF-T1S，其主要實現運行信號以及參數的現場監視和設置。PLC與觸摸屏的以太網通信連接，在PM Designer軟件上設置通信途徑，并組態相關功能靜態主畫面如圖4所示。

靜態畫面主要的組態的對象有，裝置的操作方式，工作方式油壓站相關參數，以及五大基本保護[4]，以及報警表格，把每次的報警以表格形式顯示出來，同時記錄每次的啟動和停車原因，并顯示當前運行和剩余運行時間等。有分別組態速度上下線，保護屏蔽等畫面。是的調試更加靈活。

圖4 觸摸屏組態靜態畫面

4 上位機顯示

上位機顯示主要是為了實現遠程監控功能。使得調度室能夠時刻準確掌握裝置運行狀況。本設計上位機開發是在WINCC7.2版本的基礎上實現的，可以直接與S7-1200PLC進行數據交換，避免了通過OPC的繁瑣過程。本部分不僅組態系統具體的功能，還通過數據庫，實現對故障的記錄和查詢等功能。同時集合程序實現高中低檔調節的優先級控制。

5 結語

本文詳細闡述了利用編碼器測速的工作原理和在程序中的數據處理，同時介紹與變頻器的連接，實現三級調速，主要解決在上下班高峰時人員運輸效率降低的情況。最后在觸摸屏和上位機上顯示，實現就地和遠程監控功能。目前隨著運輸人員個數的不確定性，要求更高精確和經濟的控制。如果在PLC中調用PID功能模塊[5][6]，這樣既搭建系統簡單又能實現裝置優化控制，從而實現節能調速控制，因此在架空乘人裝置自動控制系統利用PID電機調速原理具有一定的現實意義和可操作性。

參考文獻：

[1]高俊峰.基于PLC的礦井架空乘人裝置自動控制系統設計[J].煤炭技術,2014（09）:226-228.

[2]西門子（中國）有限公司.深入淺出西門子S7-1200PLC[M].北京:北京航空航天大學出版社,2009.

[3]向曉漢.PLC西門子PLC高級應用實例精解[M].北京：機械工業出版社,2010.

[4]高俊峰,雷天華,金敏.S7-1200 PLC的煤礦架空乘人裝置自動控制系統 [J].煤礦機械,2014（11）:224-226.

[5]王仁祥，王小曼．西門子S7-1200 PLC編程方法與工程應用[M].北京:中國電力出版社,2011.

[6]廖常初.S7-1200 PLC編程及應用[M].北京:機械工業出版社,2010.

作者簡介：邵華（1976-），男，江蘇沛縣人，本科，工程師，主要從事：煤礦自動化技術應用工作。