提升機自動監控系統的設計研究

王樹鋒

（晉能控股煤業集團煤峪口礦，山西 大同 037003）

引言

提升機作為煤礦作業生產的關鍵提升設備，主要承擔著煤礦矸石、煤炭等材料以及人員和設備的下放、提升以及運送任務[1]，因此，提升機在煤礦生產中發揮著至關重要的作用，是輸送井上井下貨物以及人員的關鍵橋梁[2]。提升機主要由電動機、操作系統、卷筒、深指系統、減速器和制動系統等組成，驅動電機采用直流或者交流方式，而提升機的提升和下降過程就是利用對直流或者交流電動機的正反轉來控制實現的[3]。為保證提升機在升降中運行平穩，不論電動機是處于反轉狀態還是正轉狀態，一般都存在啟動、加速、再加速、中速運行、減速、全速勻速運行、低速運行、制動停車等階段[4-5]。由于提升機在運行中PLC硬件會發生故障，造成提升機停運，給煤炭生產造成嚴重的損失，本文設計采用冗余PLC控制[6-7]的提升機全自動監控系統，來實現提升機的全自動運行，進而保證提升機的穩定、安全及運行可靠。

1 提升機冗余PLC控制系統的總體設計

在礦井生產中，提升機故障通常會發生在PLC硬件或者外圍器件上，造成提升機停運，給煤炭生產產生嚴重的損失[8]，因此，本文設計采用冗余PLC控制的提升機全自動監控系統。選用兩套PLC來對硬件進行雙機熱備，接入并保留原轉子回路串電阻控制回路，將變頻調速系統接入，實現無極和多級調速，降低故障發生的概率。在提升機運行時，當發生故障時，可以實現快速切換PLC和變頻、轉子回路串電阻調速系統，保證系統運行的安全可靠。

當系統在作業時出現故障，利用冗余控制[9]，并借助備用關鍵設備來快速啟動控制系統，進而維持系統的正常作業，因此設計應用冗余PLC控制系統不僅可以提高控制系統的可靠性，還可以降低故障發生率。提升機自動監控系統包括有冗余PLC、觸摸屏、上位機、轉子回路串電阻、變頻器、監測傳感器等。圖1為提升機自動監控系統的總設計圖。

圖1 提升機自動監控系統的總設計圖

冗余PLC控制提升機自動監控系統主要功能是當PLC產生故障時避免提升機停車。當PLC主控產生故障時，利用程序切換至副PLC運行，冗余PLC和安全回路及信號系統、液壓站、井筒及深度指示信號、變頻器/轉子回路串電阻、軸編碼器、操作臺及上位機連接，采集傳感器利用PLC邏輯控制單元處理來對提升機運行進行控制，最后通過上位機將提升機的運行狀態信息進行顯示。

2 軟硬件設計

在提升機硬件設計中控制器采用S7-400PLC，對PLC輸入和輸出點數進行分配，對PLC地址也進行分配，實現提升機控制系統的功能；對于提升機軟件是對控制系統程序進行設計，有提升機運行控制模塊、固定值傳送模塊、數字量/模擬量處理模塊、安全回路模塊、液壓控制模塊、故障處理模塊和報警模塊等，通過將程序編好并下載至PLC中進行程序的運行操作，進而對提升機設備進行運行控制，實現提升機的精準運行控制和保護。

2.1 硬件設計

提升機冗余PLC控制系統的主副PLC都選用西門子S7-400系列，主要是實現整個系統的運行控制、信號處理、系統保護和數據計算等。依據外部輸入PLC的模擬量、數字量信號，在PLC中完成邏輯推算，通過PLC控制對提升機進行啟動、停車、運行和故障保護等，對提升機的過卷、過速、閘瓦磨損等實現保護。

采用冗余控制提升機，借助于PROFIBUS通信協議實現主副PLC通信，并借助MPI通信協議與上位機進行通信，其中，主PLC內部主體含有輸入輸出寄存器、I/AI與O/AO輸入/出口、CPU、存儲器、電源和MPI/DP通信接口，其和副PLC、外部傳感器、變頻器/轉子回路串電阻、上位機相連接。圖2為提升機主PLC和外部設備的連接設計圖。

圖2 提升機主PLC和外部設備的連接設計圖

2.2 軟件設計

提升機軟件控制設計含PLC程序和上位機監控軟件設計。S7-300/400系列PLC選用SIMATIC Manager軟件進行編程；S7-200系列PLC選用STEP7 MicroWIN軟件進行編程，以上都稱作STEP7軟件。提升機控制系統主控程序可完成初始化、主副PLC通訊、自檢、節能運行控制、故障診斷與報警、啟停、液壓控制和模擬量/數字量處理等工作。圖3為提升機控制系統主控程序流程圖。

3 上位機監控軟件設計及運行調試

上位機監控軟件可以組態提升機作業中的各種狀態，將直觀的數據和信息提供給提升機司機，組態畫面有提升主界面、運行曲線界面、安全回路界面、傳動界面、故障樹界面、液壓站界面等，將這些界面組態的控件連接于現場PLC中用來收集現場信息的變量，并將現場運行情況實時反應出來，便于維修人員和提升機司機獲得操作與維修數據，因此，上位機監控軟件起著至關重要的作用。

本文中，上位機組態軟件采用西門子SIMATIC WinCC Explorero[10]制作，在觸摸屏、上位機上將提升機運行整個過程進行顯示，并將提升機控制系統利用通訊協議MPI進行通信。針對提升機各種界面設計，本文只重點仿真分析主界面和故障樹界面設計的運行效果，分別得到圖4所示的結果。

圖3 提升機控制系統主控程序流程圖

圖4 提升機故障樹界面

主控界面顯示提升機的動態運行過程，其會隨著提升機的運行，箕斗也會上下運動，界面設計有安全回路情況、井筒開關情況的閃爍顯示、停車回路情況、提升機速度、PLC主副箕斗位置、閉鎖回路情況、油壓給定、開車信號等，還將不同界面的切換設置于最下方，便于監控其他界面回路。圖4中，主要是對計算機定量計算的中間事件、各底事件的概率重要度進行顯示，并依據大小順序排序顯現，可對故障實時監控查看。

4 結語

針對提升機在運行中PLC硬件會發生故障，造成提升機停運。本文設計采用冗余PLC控制的提升機全自動監控系統，選用兩套PLC來對硬件進行雙機熱備，接入并保留原轉子回路串電阻控制回路，將變頻調速系統接入，實現無極和多級調速，降低故障發生的概率。還對該系統的軟硬件進行設計，其中上位機監控設計采用西門子WinCC組態軟件，并對該系統主界面運行效果進行查看，結果表明冗余PLC控制能夠實現提升機的全自動運行，且檢修方便，提高了生產效率。