國傳電氣技術(shù)交流

產(chǎn)品技術(shù)

2024年01月08日發(fā)布

導讀：礦井提升機PLC控制系統(tǒng)是礦井提升電控系統(tǒng)的重要組成部分，它是通過PLC編程控制將礦井提升電控系統(tǒng)各個重要部件進行高效連接通信的重要工具。

       今天，我們?yōu)榇蠹彝瞥隽说V井提升PLC控制系統(tǒng)介紹，盡管S7-300PLC已經(jīng)停產(chǎn)，我司也已更換S7-1500系列產(chǎn)品，但基于市場上依舊存在較多以S7-300系列PLC控制系統(tǒng)，因此我們本次仍以該系列產(chǎn)品為主要案例進行介紹，希望能在日常設(shè)備操作、系統(tǒng)維護工作中給大家?guī)砀嘁嫣帯?/p>

礦井提升機承擔著人員、礦料、設(shè)備等物資運輸?shù)闹厝?，是整個礦井系統(tǒng)中的核心部分，其安全可靠運行也就顯得尤為重要。

PLC可靠性高，抗干擾能力強，編程簡單，使用方便；控制程序可變，具有很好的柔性，功能完善；擴充方便，組合靈活，極大減少控制系統(tǒng)設(shè)計及施工的工作量。  

目前在礦山企業(yè)中應(yīng)用的提升系統(tǒng)基本上都采用PLC系統(tǒng)作為主控系統(tǒng)。同時，鑒于市場上仍存在數(shù)量較多的，以Siemens（西門子）公司的S7-300系列PLC操作系統(tǒng)，故本次將基于S7-300PLC產(chǎn)品為主要案例進行介紹礦井提升機PLC控制系統(tǒng)。

所有PLC均通過MPI和PROFIBUS雙網(wǎng)連接，從而保證了重要數(shù)據(jù)的同一性。

每臺PLC的基本配置有：電源模塊、CPU模塊、接口模塊、數(shù)字量I/O模塊、模擬量I/O模塊、功能模塊以及通訊模塊等。

一、S7-300硬件組成

每臺PLC的基本配置有：電源模塊、CPU模塊、接口模塊、數(shù)字量I/O模塊、模擬量I/O模塊、功能模塊以及通訊模塊等。

圖1 PLC硬件組成

1、S7-300CPU信息。

圖2 CPU接口圖

圖3  S7-1500正面  CPU信息說明

圖 4 S7-1500背面  CPU信息說明

四、礦井提升常用PLC系統(tǒng)產(chǎn)品CPU功能對比

一、PLC軟件介紹

STEP7軟件將程序指令存放于“塊”中，根據(jù)用戶程序要求，可用以下幾種類型的塊來存放程序指令：

1）組織塊（OB），它可以提供CPU操作系統(tǒng)與用戶程序的接口。OB1執(zhí)行用戶程序的循環(huán)處理，其它OB塊響應(yīng)特定事件和中斷；

2）功能塊（FB），它是執(zhí)行時帶有即時數(shù)據(jù)的可多次調(diào)用的邏輯功能塊，用戶程序每次對FB調(diào)用提供新參數(shù)；

3）功能（FC），這種功能塊執(zhí)行時不需帶有即時數(shù)據(jù)塊，用戶對FC的每次調(diào)用提供新的參數(shù)。由于FC塊處理數(shù)據(jù)的不同方法，F(xiàn)C相比FB需要的CPU處理較少。

二、PLC工作流程

圖5  PLC工作流程圖

三、PLC組織塊介紹

 1、OB100為加電啟動組織塊，在該組織塊中，編制有關(guān)系統(tǒng)參數(shù)初始化指令及相關(guān)模塊的設(shè)置程序。該組織塊僅在系統(tǒng)加電起動后運行一次，在以后的程序循環(huán)中不再執(zhí)行。 

2、OB1為循環(huán)運行組織塊，也即用戶主程序部分。在OB1中可以調(diào)用其它用戶功能塊和系統(tǒng)功能塊，如SFB、SFC、FB、FC等。根據(jù)結(jié)構(gòu)化設(shè)計程序的原則，將能完成某些特定功能的程序事先編制成可以重復(fù)調(diào)用的FB、FC功能塊形式，然后在OB1中執(zhí)行相關(guān)調(diào)用。 

3、OB35為定時中斷組織塊，建議最小定時中斷時間20ms，根據(jù)用戶需要可進行任意設(shè)置。在用戶中斷程序中，根據(jù)各種邏輯關(guān)系和實際提升速度以及實際提升行程值，進行有關(guān)邏輯判斷及數(shù)據(jù)處理，給出提升機運行速度給定信號和各種行程控制信號。 

為提高系統(tǒng)安全穩(wěn)定性，在PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上精心設(shè)計，采用多PLC網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)主要分為：1、保護PLC；2、行程PLC；3、操作PLC三部分。

 1、保護PLC主要功能有：輸入信號采集、安全保護（如立即施閘類保護、報警類保護、井口施閘類保護）、開車信號處理和液壓站控制等。

2、行程PLC主要功能有：位置計算、速度計算、行程類安全回路保護、自動產(chǎn)生提升機所需的速度給定信號（即“S”運行曲線）、變頻器控制等。

3、操作PLC主要功能有：操作信號采集、操作臺指示燈顯示、深度指示器數(shù)據(jù)處理等。

     在安全回路設(shè)計方面，采用軟件保護與硬件安全直動保護構(gòu)成雙線制提升機安全回路保護；操作保護PLC與行程PLC既相互獨立，又互相監(jiān)視，對某些故障（如超速、方向故障、編碼器故障等）又起到雙重保護作用。

一、保護PLC控制

1、保護PLC功能

提升機操作保護系統(tǒng)主要完成邏輯操作控制和故障安全保護兩方面任務(wù)。

    來自提升系統(tǒng)各部分輸入到操作保護PLC的信號主要分為以下幾類：

 （1）信號系統(tǒng)發(fā)出的開關(guān)量信號 。

 （2）司機操作臺發(fā)出的開關(guān)量信號。

 （3）從高、低壓配電部分和液壓制動部分及快開反饋來的接觸器或行程開關(guān)輔助觸點信號。

 （4）井筒開關(guān)信號 。

 （5）編碼器采集信號

圖6 操作保護PLC系統(tǒng)組成

2、操作保護PLC軟件設(shè)計

根據(jù)提升機操作保護系統(tǒng)的功能要求，用戶程序可選擇OB100、OB1、OB35、FC1、FC0、FC5、 FC14 、 FC91、FC92、FC93、FC94、FC95以及DB1、DB2等軟件模塊構(gòu)成。

（1）FC0、FC1、DB1、DB2四個子程序塊用于完成計數(shù)模塊的脈沖計數(shù)任務(wù)，并將相關(guān)計數(shù)值存放在DB1和DB2中，實現(xiàn)CPU模塊與計數(shù)模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸。

（2）FC5子程序塊用于對輸入到PLC的操作信號和運行狀態(tài)信號進行邏輯處理和閉鎖，產(chǎn)生提升系統(tǒng)各部分的控制指令。

（3）FC91子程序塊用于對輸入到PLC的模擬量進行處理，模擬量包括：主電機電流、測速機速度、軸承溫度、變壓器溫度、主電機溫度、液壓站油壓和提升載荷。 

（4）FC92、FC93、FC94、FC95子程序塊對輸入到PLC的故障保護信號進行處理，F(xiàn)C92處理立即施閘類故障，F(xiàn)C93處理電氣制動施閘類故障，F(xiàn)C94處理提升終了施閘類故障，F(xiàn)C95處理報警類故障。

（5）FC14子程序塊用于生成PLC內(nèi)部安全回路，輸出立即施閘、電氣制動施閘、提升終了施閘和報警以及液壓站二級制動控制信號。

3、提升機雙線式安全回路

提升機由機械、液壓和電氣三部分構(gòu)成，系統(tǒng)復(fù)雜，為保障提升機系統(tǒng)安全可靠，必須采用雙線制安全回路，即PLC安全回路和繼電器安全回路相結(jié)合 。

圖7  雙線制安全回路 

4、提升機故障分類

 根據(jù)對提升系統(tǒng)運行的影響程度，提升機故障可劃分為以下四種 :

(1)立即施閘類故障（發(fā)生此類故障時，系統(tǒng)能立即進行安全制動停車）

(2)提升終了施閘類故障 (發(fā)生此類故障時，允許一次提升循環(huán)結(jié)束后再停車) 

 (3)電氣制動類故障 (發(fā)生此類故障時，提升機自動減速到1米/秒,再施閘停車) 

(4)報警類故障保護（發(fā)生此類故障時，僅發(fā)聲光報警信號） 

5、液壓制動系統(tǒng)PLC控制原理

液壓制動系統(tǒng)PLC控制器主要完成以下功能：

（1）采集液壓系統(tǒng)中壓力、溫度、油位等信號，對液壓制動系統(tǒng)實施保護。

（2）為液壓制動系統(tǒng)中的各種電磁換向閥提供控制信號。

（3）為液壓制動系統(tǒng)中的比例閘提供控制電流或電壓信號。 

圖8  液壓制動系統(tǒng)PLC控制原理

二、行程PLC設(shè)計

1、行程PLC功能的實現(xiàn)

將部分操作信號、部分保護信號以及設(shè)定的一些行程參數(shù)與軸編碼器信號結(jié)合起來進行邏輯運算處理，自動產(chǎn)生提升機所需的速度給定信號(即運行曲線), 減速段行程為一固定值,通過PLC實際運算來調(diào)節(jié)減速度，從而保證了停車點不變和停車點的精度。

行程監(jiān)控PLC還將軸編碼器信號經(jīng)軟件計算后處理成罐籠在井筒中的位置和在線速度，送到操作臺監(jiān)視器顯示,此外還產(chǎn)生包絡(luò)曲線對提升機的的速度進行連續(xù)監(jiān)視。這種以軟件處理為主的行程跟蹤方法在靈活性、可靠性及精度等方面都很高，只要選擇分辨率較高的軸編碼器，就可保證定位精度<2cm，因打滑及鋼繩伸長等行程誤差，可通過井筒同步開關(guān)加以校正。

提升行程控制器由PLC、兩個軸編碼器和井筒開關(guān)等構(gòu)成。其中一個軸編碼器裝在提升機的驅(qū)動輪上，另一個軸編碼器裝在提升機的導向輪上；行程控制器所用井筒開關(guān)裝在井筒中齊平位置（即井口停車位）、同步位置（減速點前4米左右）和2M/S限速位置（距齊平位8米左右）三個地方；PLC選用西門子公司的S7—300，主要模塊包括：電源模塊、CPU模塊、DI模塊、DO模塊、AI模塊、AO模塊、計數(shù)模塊FM350和通信模塊CP340/CP343 等。

2、給定“S”曲線

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(shù)（v = f (t) ），簡稱為時間給定，其給定速度圖如圖9所示；二是給定速度為行程的函數(shù)（v = f (s)），簡稱行程給定，其給定速度圖如圖10所示。

圖9  時間給定速度圖

圖10   行程給定速度圖

3、行程控制器功能的實現(xiàn)

1）自動生成S型速度曲線

提升機速度在減速段采用行程給定方式，其給定信號是由提升容器在井筒中的位置決定的，其特點是任一位置都對應(yīng)一個由該行程位置產(chǎn)生的速度給定信號，而與時間無關(guān)。

在提升機運行于加速段時，則不應(yīng)采用行程方式，一方面是因為初加速時刻，其行程值為零，則導致此時速度給定也為零，致使提升機不能開車運行；另一方面則由于在手動操作方式下，司機主令手柄也參與開車加速過程，控制提升機運行最大速度值，這時將與行程給定原則相悖。

2）故障保護功能的實現(xiàn) 

（1）過卷監(jiān)視

（2）軸編碼器監(jiān)視

（3）測速機——編碼器監(jiān)視

（4）鋼絲繩滑動監(jiān)視 

（5）超速監(jiān)視 

（6）停車監(jiān)視

（7）給定監(jiān)視

（8）方向監(jiān)視

3）行程和速度的計算

圖 11 行程運行畫面

4）行程PLC功能分布

OB1：主程序  安全回路、工作方式判斷。

OB35：定時中斷子程序

OB100：初始化子程序（修改后要復(fù)位）   

FC4：變頻器指令輸出。

FC6：O/A模塊輸出處理（開車方向、給定）

FC9：編碼器校正程序。FC7、FC8：編碼器校正子程序。

FC10：軟過卷設(shè)置（保護值）、編碼器故障、測速機故障、方向故障、超速判斷等。

FC20：軸編碼器測行程、速度子程序

FC21：模擬量輸入子程序

FC30：加速段子程序

FC32：加速段包絡(luò)線

FC40：主減速段程序

FC41：減速段速度計算

FC42：減速段包絡(luò)線子程序

FC51：低速運行方式子程序

FC52：過卷運行方式子程序、

FC53：檢修1方式子程序

FC54：檢修2方式子程序

FC56：緊急開車方式子程序

FC61：包絡(luò)線子程序  調(diào)用FC32、FC42

FC64：減速點、爬行點計算

FC65：變加速度a3計算子程序

FC66：手動方式：加速段和等速段子程序

FC67：手動方式：減速段子程序

FC68：通信程序（和上位機）ＤＢ10的地址與上微機地址對應(yīng)

  （本稿件由國傳電氣（原中礦傳動）市場部整理編輯，經(jīng)國傳電氣技術(shù)支持團隊審核授權(quán)發(fā)布?。?/span>

點擊關(guān)注國傳電氣訂閱號

如有問題，歡迎技術(shù)咨詢！

國傳電氣竭誠為您服務(wù)！

垂詢電話：0516-80139798

網(wǎng)址：www.jsgce.com.cn

郵箱：sell@jsgce.com.cn