冗余PLC控制的礦井提升機控制系統設計

胡雪雪

0 引言

礦井提升機是煤炭井下運輸的最后環節，隨著嵌入式技術、電力電子技術、通訊技術等的發展，提升機電控系統逐漸運用新一代PLC控制技術替代繼電器和外圍電路、變頻器替代交流接觸器，實現提升機控制和調速[1]。提升機在實際運行中，有時提升機故障會出現在PLC硬件或外圍器件上，導致提升機停運給煤炭生產造成嚴重損失。故本文開發一套冗余PLC控制的礦井提升機控制系統[2-3]，采用兩套西門子S7-400 PLC來實現硬件的雙機熱備，并通過軟件編程實現雙PLC故障的冗余切換，確保提升機安全可靠運行。

1 系統總體結構設計

冗余控制是指系統在工作中發生故障時，通過備用關鍵設備使控制系統快速啟動，從而維持系統的正常工作[4]。提升機在運行過程中，一旦PLC控制器出現故障，提升機將停運，進而影響煤炭生產，故冗余PLC設計對故障率降低及可靠性提高至關重要。

圖1系統總體結構設計

冗余PLC提升機控制系統由冗余PLC、上位機、變頻器、觸摸屏、深度指示器、工頻電阻、提升系統設備、檢測傳感器等組成。其系統總體結構設計如圖1所示。

主要工作過程：首先，采集安裝于電機軸、滾筒主軸的軸編碼器的脈沖，運用PLC的高速計數模塊進行計數并經過PLC邏輯運算處理后，形成按行程給定的運行曲線；其次，運用PLC的A/D模塊將電流互感器和壓力傳感器采集的現場電機電流、液壓站和潤滑站的油壓轉化為數字信號，并上傳到上位機來實現參數實時監控；最后，運用PLC的數字量輸入模塊采集的提升系統的各種開關量，判斷并校正提升機和各外部設備的運行狀態來保證提升機的平穩運行。正常工作時，由于備用PLC的外部控制線路和主控PLC一致，故主控PLC運行，備用P LC閉鎖全部輸出信號，僅當主控P LC發生異常時，開放備用P LC輸出閉鎖，實現控制系統雙P LC之間的無擾動切換。

2 系統硬件設計與功能

系統的主/備PLC均選用S7-400PLC。PLC主要完成提升系統的信號采集、處理、上傳等，PLC依據輸入的外部數字量和模擬量，完成相關邏輯計算，控制提升機的平穩運行，實現各種故障的判斷及數據上傳。

控制系統需配置的基本模塊：兩個電源模塊PS407、兩個CPU模塊CPU412-2DP、兩個高速計數模塊FM450-1、若干數字量輸入模塊SM421、若干數字量輸出模塊SM422、兩個通訊模塊CP443-1、若干模擬量輸入模塊SM431、若干模擬量輸出模塊SM432等。

觸摸屏選用西門子TP170A。將PORT1端口與主控PLC連接，實現觸摸屏與主控PLC通過RS485進行通信；將POTR2端口與主控PLC和備用PLC連接，實現自由口通信功能，并將主控PLC的數據實時傳輸給備用PLC，實現數據實時動態監測與顯示功能。變頻器選用功能強大的西門子6ES70，可實現多級變頻調速。

冗余PLC提升機控制系統為保證提升系統的可靠性和改善調速方式的單一性，原工頻電阻控制電路被系統保留，一旦變頻器故障或需要檢修，則立即運行工頻電阻來調節提升機的速度，保證平穩運行。PLC控制系統主要完成以下功能：

（1）完成主令操作控制、發送指令及控制提升機電控系統的工作狀態。

（2）執行操作程序、確定提升方向及生成提升信號。

（3）控制液壓制動系統，實現松閘或抱閘。

（4）實現行程給定功能、提升容器的位置控制及對箕斗位置進行實時監控和顯示。

（5）檢測提升機運行實時數據并上傳。

（6）將PLC外部輸入的實時與標準數據比較，編程判斷提升機實際故障部位。

3 軟件設計

圖2主控程序流程圖

本系統軟件程序由主控程序、通信與冗余PLC故障切換子程序、故障處理子程序、速度校驗子程序組成。主控程序的功能是完成初始化、同步校正、提升運行控制、啟停等。通信與冗余PLC故障切換子程序的功能是檢測主控PLC的各項運行參數和數據上傳。并在主控PLC故障時，自動轉換至備用PLC運行，進而達到雙機熱備的切換目的。故障處理子程序功能是完成提升機過卷、超速和過載保護、監控運行速度和位置、監控變頻器故障等，當一有故障出現，就運行相應故障處理子程序，控制安全回路抱閘及停車，并上傳上位機報警及顯示故障信息。速度校驗子程序對軸編碼器產生的脈沖通過PLC高速計數模塊進行計數來測速，并同時對兩套軸編碼器進行同步校驗。主控程序流程圖如圖2。

圖3上位機提升機組態圖

系統的上位機界面設計，選用西門子SIMATICWinCC5.0制作，對提升機運行時的各種狀態進行組態顯示，將在觸摸屏和上位機上顯示整個提升過程和提升參數，實現觸摸屏、上位機與提升機電控系統運用工業以太網通信。上位機提升機組態如圖3。

4 結語

本文設計的冗余PLC控制的礦井提升機控制系統，具有完善的硬件和軟件，電控系統采用兩套PLC互相冗余，變頻和工頻兩種調速方式，實現提升機運行過程中過卷、超速、過載等故障的檢測與保護，改善了提升機控制系統一旦故障嚴重影響生產及調速方式單一的問題，實現提升機平穩運行，并滿足煤礦井下安全運輸的要求。實際運行表明，改造后的系統進一步提高了提升機電控系統的安全可靠性及準確性，能夠使礦井提升機更平穩運行。