摘 要：針對(duì)礦山常規(guī)繼電器提升電控系統(tǒng)存在的不足，介紹了一種基于PROFIBUS—DP現(xiàn)場(chǎng)總線的全數(shù)字直流提升機(jī)控制系統(tǒng)在某金屬礦的應(yīng)用。給出了控制系統(tǒng)的硬件配置和軟件設(shè)計(jì)方案。自運(yùn)行以來(lái)，性能穩(wěn)定、安全可靠，完全滿足礦山對(duì)提升系統(tǒng)現(xiàn)代化的要求。 關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線；提升機(jī)；PLC；直流調(diào)速

Application of PROFIBUS—DP Field Bus in Mine Hoists Control System

[align=center]CHEN Huai—zhong （Zhejiang Industry Polytechnic College。Shaoxing 312000。China）[/align]Abstract：Aiming at the disadvantages of conventional relays in control of mine hoists，introduces the application of full digital DC speed adjusting device based on PROFIBUS—DP field bus．Gives the control systemhardware configuration and software design．This system has performed stably and safely，fully meeting therequirements of modem mi ning hoists system ． Key words：field bus；mine hoists；PLC；DC speed adjusting 0 引言 　　隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工控領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，建立基于PROFIBUS—DP現(xiàn)場(chǎng)總線的礦井提升控制監(jiān)控系統(tǒng)成為解決礦井安全提升問題的有效途徑。近10 a來(lái)，世界上出現(xiàn)了多種有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線，其中，PROFIBUS—DP現(xiàn)場(chǎng)總線是一種全數(shù)字化的、串行、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，專為自動(dòng)控制系統(tǒng)和分散I／O設(shè)備之間通信設(shè)計(jì)。在單根電纜上連接多個(gè)儀表和設(shè)備，傳遞的信息量大、抗干擾性能力強(qiáng)，大幅降低安裝、運(yùn)行和維護(hù)成本，PRO．FIBUS—DP現(xiàn)場(chǎng)總線在礦山提升電控系統(tǒng)中的應(yīng)用可以使系統(tǒng)更可靠、簡(jiǎn)便、直觀。 1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及主要功能 　　控制對(duì)象為某金屬礦山副井，該副井承擔(dān)著該礦人員和材料提升，還要承擔(dān)井下部分礦石提升任務(wù)。井深為520m，共設(shè)8個(gè)水平中斷，副井提升機(jī)采用2．5m多繩摩擦輪，雙層罐籠配平衡錘方式。直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，直流電動(dòng)機(jī)功率為400kW，正常提升時(shí)速為8m／s。提升特殊材料如炸藥、雷管等，時(shí)速為2m／s，爬行距離為6m，爬行速度0．5m／s?？刂票O(jiān)控系統(tǒng)均建立在基于ROFIBUS—DP現(xiàn)場(chǎng)總線通訊網(wǎng)絡(luò)之上，如圖1。 1．1 PLC硬件設(shè)計(jì) 　　PLC選型根據(jù)通用性、標(biāo)準(zhǔn)性、可靠性等原則，系統(tǒng)主站采用德國(guó)SIEMENS S7—300 PLC（CPU315— 2DP），站地址設(shè)為2。s7—300 PLC系列的PLC一個(gè)機(jī)架上最多帶8個(gè)輸人輸出和功能模塊。在本副井提升機(jī)控制系統(tǒng)中使用了5個(gè)輸人模塊SM321和3個(gè)輸出模塊SM322，2個(gè)高速計(jì)數(shù)模塊FM350—1，因此采用了2個(gè)機(jī)架，中央機(jī)架和擴(kuò)展機(jī)架用131365通訊模塊連接。2個(gè)機(jī)架均裝有PS307電源模塊給PLC系統(tǒng)供電。主控系統(tǒng)PLC主要完成邏輯運(yùn)算控制、安全回路控制、速度運(yùn)算和監(jiān)視、行程計(jì)算和保護(hù)等任務(wù)。 　　地面信號(hào)室和+27 m材料裝運(yùn)平臺(tái)主要完成控制安全門、搖臺(tái)、選擇材料種類、罐籠去向等任務(wù)，為了減輕主控PLC的控制任務(wù)，在信號(hào)室配備一臺(tái)SIEMENS S7—200 PLC（CPU226）完成上述功能，一塊EM223用于輸入輸出點(diǎn)數(shù)擴(kuò)展。在CPU226上擴(kuò)展一塊EM277通訊模塊。CPU226作為智能從站通過EM277掛接在PROFIBUS—DP總線上，該站作為S7— 300 PLC的從站，地址設(shè)為4。1～8’水平中段位于井下，主要完成采集本中段井筒開關(guān)信號(hào)，控制安全門、搖臺(tái)，上下調(diào)罐、向地面信號(hào)室發(fā)出各種呼罐信號(hào)等任務(wù)。 　　各中斷采用ET200M遠(yuǎn)程控制站與地面PLC通訊，ET200M是基于PROFIBUS—DP現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)共有8個(gè)ET200M分布式I／O從站。每個(gè)ET200M分布式I／O從站有2個(gè)SM321數(shù)字輸人模板，1個(gè)SM322數(shù)字輸出模板。所有的ET200M從站通過本站通訊接口模板IM153通訊接口與PROFIBUS—DP現(xiàn)場(chǎng)總線相連。其遠(yuǎn)程站地址依次設(shè)為5一l2，與S7—300 PLC完成提升控制數(shù)據(jù)交換。 1．2 全數(shù)字直流調(diào)速硬件設(shè)計(jì) 　　傳動(dòng)部分采用西門子SIMOREG DC—MASTER直流調(diào)速裝置，型號(hào)為6RA7093—4DV62—0。用于向提升直流電動(dòng)機(jī)的電樞和磁場(chǎng)供電，通過PROFI．BUS—DP現(xiàn)場(chǎng)總線通訊網(wǎng)絡(luò)接受和執(zhí)行主PLC下達(dá)的運(yùn)行速度、加速度上升和下降時(shí)間等各項(xiàng)指令，完成提升機(jī)運(yùn)行參數(shù)的調(diào)節(jié)功能。調(diào)速裝置配備有PROFIBUS—DP現(xiàn)場(chǎng)總線接口，它可以作為S7—300PLC的一個(gè)從站。通過總線連接器與S7—300 PLC、S7—200 PLC、ET200M形成一個(gè)PROFIBUS—DP現(xiàn)場(chǎng)總線通訊局域網(wǎng)，完成各種數(shù)據(jù)交換功能。除了要在主站中設(shè)置連接外，還要對(duì)調(diào)速裝置自身的一些功能參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，才能保證主站和從站間的正常通信。參數(shù)P918用來(lái)設(shè)定從站的總線地址，本設(shè)計(jì)中其從站地址設(shè)為3，實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC控制字，給定值狀態(tài)字的讀寫。 1．3 繼電器控制回路設(shè)計(jì) 　　繼電器控制回路包括：安全制動(dòng)控制、一級(jí)制動(dòng)控制、二級(jí)制動(dòng)控制、提升機(jī)開?？刂啤⒎较蚩刂?、提升機(jī)減速控制、潤(rùn)滑油站控制、液壓站控制回路等，它與PLC回路共同組成多重保護(hù)。繼電器回路和PLC回路既相互有機(jī)結(jié)合又保持相對(duì)獨(dú)立，當(dāng)PLC故障暫不能投人時(shí)．仍可在系統(tǒng)保證基本安全的條件下應(yīng)急開車。 1．4 系統(tǒng)基本功能 　　提升系統(tǒng)主要工作過程為：司機(jī)在看到允許開車信號(hào)以后，按下開車按鈕，由主PLC控制系統(tǒng)自動(dòng)判斷開車去向，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)提升機(jī)開車、加速、等速、減速、爬行、停車的全過程。同時(shí)PLC監(jiān)視提升機(jī)運(yùn)行過程中的安全狀況，發(fā)現(xiàn)問題自動(dòng)采取相應(yīng)對(duì)策。脈沖軸編碼器作為提升系統(tǒng)的行程和速度的測(cè)量器件，具有很高的測(cè)量精度。在提升機(jī)的電機(jī)軸和導(dǎo)向輪上，各安裝一個(gè)脈沖軸編碼器進(jìn)行同步測(cè)量，其計(jì)數(shù)值進(jìn)人FM350—1計(jì)數(shù)模塊計(jì)數(shù)，PLC對(duì)計(jì)數(shù)結(jié)果進(jìn)行分析和控制，完成提升位移、速度計(jì)算控制和顯示功能。一般以導(dǎo)向輪上脈沖軸編碼器計(jì)數(shù)為準(zhǔn)，如果2個(gè)脈沖軸編碼器計(jì)數(shù)值不一致，當(dāng)其誤差達(dá)到一定值時(shí)，說明鋼絲繩打滑，PLC將發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 2 軟件設(shè)計(jì) 　　S7—300 PLC用西門子公司STEP7軟件編程。STEP7將用戶程序指令存放在“塊”中，本控制系統(tǒng)主要有4類用戶程序：功能Fc（Function）、功能FB（Function block）、組織塊OB（Organization block）和數(shù)據(jù)塊（Date block），其中FB和Fc作為OB的子程序。主循環(huán)模塊OB1中存放所有用戶程序以待執(zhí)行，也可以將用戶程序存放入不同的功能模塊中，只在OB1中調(diào)用，需要時(shí)才執(zhí)行。PLC的CPU中的操作系統(tǒng)在系統(tǒng)啟動(dòng)后將連續(xù)循環(huán)掃描執(zhí)行OB1，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制。本系統(tǒng)使用了3個(gè)OB塊（OB10、OB100、0B35）。OB100為加電啟動(dòng)組織塊。在該組織塊中編制有關(guān)系統(tǒng)參數(shù)初始化的程序。該組織塊僅在系統(tǒng)加電起動(dòng)后運(yùn)行一次。0B35為中斷組織塊，它的主要功能是產(chǎn)生時(shí)間中斷，本系統(tǒng)時(shí)間中斷時(shí)間設(shè)為20 Ills，本系統(tǒng)利用OB35的時(shí)間中斷功能計(jì)算提升速度和加速度。OB1為循環(huán)運(yùn)行組織塊，即用戶主程序部分，提升系統(tǒng)PLC主程序流程框圖如圖2所示。 2．1 提升系統(tǒng)行程校正控制 　　在提升過程中，位置和速度的測(cè)量是利用FM350—1高速計(jì)數(shù)模塊接受裝在導(dǎo)向輪脈沖編碼器的脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)算出提升位置值、加速度值和速度值。但在提升過程中，由于鋼絲繩的蠕動(dòng)、打滑和導(dǎo)向滾筒襯墊的磨損等因素會(huì)對(duì)脈沖編碼器計(jì)數(shù)結(jié)果產(chǎn)生現(xiàn)偏差，導(dǎo)致深度位置計(jì)算誤差，影響系統(tǒng)安全運(yùn)行。解決辦法是利用地面停車井筒接近開關(guān)校正，提升罐籠在每次向上運(yùn)行過程中遇到該開關(guān)時(shí)，將該井筒開關(guān)所在位置的標(biāo)準(zhǔn)脈沖計(jì)數(shù)值寫入PLC中，減少編碼器因某種原因造成的計(jì)數(shù)誤差對(duì)提升狀態(tài)的影響。 2．2 速度曲線監(jiān)視控制 　　一旦運(yùn)行方式、提升種類、去向確定，PLC將設(shè)計(jì)好的速度運(yùn)行曲線命令6RA70全數(shù)字直流裝置執(zhí)行，提升運(yùn)行速度曲線如圖3。 　　圖3中， 段為加速段，,4B為等速段，BC為減速段，CD為爬速段，E為停車點(diǎn)。PLC根據(jù)脈沖軸編碼器的脈沖計(jì)數(shù)信號(hào)，即可確定提升機(jī)所處的位置并計(jì)算出此時(shí)的給定速度。當(dāng)實(shí)際速度超出給定速度15％的時(shí)候，控制系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警并實(shí)行安全制動(dòng)。這種連續(xù)速度包絡(luò)線監(jiān)測(cè)使提升機(jī)在提升全過程處于安全運(yùn)行狀態(tài)。 2．3 自動(dòng)準(zhǔn)確停車控制 　　礦山經(jīng)常碰到這樣的情況：為了準(zhǔn)確停車，司機(jī)反復(fù)上下調(diào)罐，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)事，大大影響提升效率。罐籠準(zhǔn)確停車是衡量礦井提升控制系統(tǒng)性能優(yōu)劣的主要標(biāo)志。本系統(tǒng)較好地解決了這個(gè)問題，其原理是利用脈沖編碼器的行程控制功能實(shí)現(xiàn)。在實(shí)現(xiàn)停車控制時(shí)以PLC中“軟”停車點(diǎn)為主，而且故意將這個(gè)“軟”停車點(diǎn)脈沖數(shù)比標(biāo)準(zhǔn)停車脈沖數(shù)增加一定數(shù)值，罐籠接近某中段停車位時(shí)，罐籠以低速爬行到達(dá)停車位，此時(shí)井筒開關(guān)動(dòng)作，罐籠在低速爬行過程中準(zhǔn)確停車，誤差幾乎為零，完全滿足礦山提升要求。 2．4 自由落體安全保護(hù)控制 　　提升系統(tǒng)常規(guī)保護(hù)控制有制動(dòng)油壓過高或過低、上下過卷、超速、閘瓦磨損、錯(cuò)向開車、編碼器故障、尾繩故障等保護(hù)控制。但這些故障保護(hù)絕大部分是在罐籠上下提升過程中才建立實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上罐籠在靜止?fàn)顟B(tài)下也必須有安全保護(hù)。某礦山曾出現(xiàn)過提升箕斗在停車維修狀態(tài)中，由于維修工人誤動(dòng)液壓站可調(diào)線圈，而導(dǎo)致箕斗平衡錘自由落體，高速掉人幾百米深的井底事件，導(dǎo)致巨大經(jīng)濟(jì)損失。自由落體安全保護(hù)控制設(shè)計(jì)思路是：在沒有開車信號(hào)時(shí)，PLC在循環(huán)掃描周期內(nèi)不斷對(duì)脈沖編碼器脈沖數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，一旦脈沖數(shù)改變值在一定時(shí)間內(nèi)的變化量大于給定值，即可視為自由落體故障，強(qiáng)行使液壓站油泵電機(jī)斷電，從而實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)。 3 上位機(jī)組態(tài)設(shè)計(jì) 　　上位機(jī)選用西門子工控計(jì)算機(jī)，并配打印機(jī)。 　　組態(tài)軟件選用SIEMENS公司W(wǎng)inCC5．0 SCADA組態(tài)軟件。PC機(jī)中安裝CP5611通訊板與S7—300 PLC上集成MPI接口通過MPI專用電纜構(gòu)成MPI通訊網(wǎng)絡(luò)，該通訊方式以較少的通訊成本完成上位機(jī)與主控PLC的數(shù)據(jù)交換。 　　上位監(jiān)控系統(tǒng)分為系統(tǒng)管理、運(yùn)行監(jiān)視、報(bào)表打印、故障報(bào)警和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置等5個(gè)基本組態(tài)模塊構(gòu)成。每個(gè)模塊下有若干子模塊組成?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)提升系統(tǒng)罐籠位置、速度顯示、液壓站、潤(rùn)滑泵、電機(jī)、調(diào)速裝置、各中斷安全門、搖臺(tái)、井筒開關(guān)信號(hào)等工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。同時(shí)還具有事故報(bào)警、人員提升次數(shù)、礦石提升產(chǎn)量計(jì)量等報(bào)表統(tǒng)計(jì)功能。對(duì)提高礦井提升系統(tǒng)安全可靠性和提高礦山生產(chǎn)效率，起著重要的作用。 4 結(jié)語(yǔ) 　　在礦山提升電控系統(tǒng)采用PROFIBUS—DP通訊網(wǎng)絡(luò)后，以單個(gè)分散的、數(shù)字化、智能化的測(cè)量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通過現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)完成礦井提升數(shù)據(jù)交換。這種設(shè)計(jì)思路最大的優(yōu)點(diǎn)是使礦山提升系統(tǒng)操作集中、管理集中，但卻使系統(tǒng)危險(xiǎn)分散、控制分散。該系統(tǒng)已在某金屬礦投入使用。運(yùn)行以來(lái)，性能穩(wěn)定、安全可靠，經(jīng)受了數(shù)萬(wàn)次的提升考驗(yàn)，為礦山帶來(lái)了較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。 參考文獻(xiàn)： [1]高伯發(fā)．交流提升機(jī)電控系統(tǒng)的現(xiàn)狀和特點(diǎn)[J]．煤礦機(jī)電，20OO（4）：14—16． [2]何風(fēng)有，譚國(guó)俊．礦井直流提升機(jī)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M]．徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003． 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