引言

隨著計算機網絡技術在工控領域的應用和發(fā)展，建立基于PROFIBUS—DP現場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，世界上出現了多種有影響的現場總線，其中，PROFIBUS—DP現場總線是一種全數字化的、串行、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡，專為自動控制系統(tǒng)和分散I／O設備之間通信設計。在單根電纜上連接多個儀表和設備，傳遞的信息量大、抗干擾性能力強，大幅降低安裝、運行和維護成本，PRO．FIBUS—DP現場總線在礦山提升電控系統(tǒng)中的應用可以使系統(tǒng)更可靠、簡便、直觀。

1、 系統(tǒng)硬件設計及主要功能

控制對象為某金屬礦山副井，該副井承擔著該礦人員和材料提升，還要承擔井下部分礦石提升任務。井深為520m，共設8個水平中斷，副井提升機采用2．5m多繩摩擦輪，雙層罐籠配平衡錘方式。直流電動機驅動，直流電動機功率為400kW，正常提升時速為8m／s。提升特殊材料如炸藥、雷管等，時速為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現場總線通訊網絡之上，如圖1。

1．1 PLC硬件設計

PLC選型根據通用性、標準性、可靠性等原則，系統(tǒng)主站采用德國SIEMENS S7—300 PLC（CPU315— 2DP），站地址設為2。s7—300 PLC系列的PLC一個機架上最多帶8個輸人輸出和功能模塊。在本副井提升機控制系統(tǒng)中使用了5個輸人模塊SM321和3個輸出模塊SM322，2個高速計數模塊FM350—1，因此采用了2個機架，中央機架和擴展機架用131365通訊模塊連接。2個機架均裝有PS307電源模塊給PLC系統(tǒng)供電。主控系統(tǒng)PLC主要完成邏輯運算控制、安全回路控制、速度運算和監(jiān)視、行程計算和保護等任務。

地面信號室和+27 m材料裝運平臺主要完成控制安全門、搖臺、選擇材料種類、罐籠去向等任務，為了減輕主控PLC的控制任務，在信號室配備一臺SIEMENS S7—200 PLC（CPU226）完成上述功能，一塊EM223用于輸入輸出點數擴展。在CPU226上擴展一塊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信號，控制安全門、搖臺，上下調罐、向地面信號室發(fā)出各種呼罐信號等任務。

各中斷采用ET200M遠程控制站與地面PLC通訊，ET200M是基于PROFIBUS—DP現場總線的分布式控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)共有8個ET200M分布式I／O從站。每個ET200M分布式I／O從站有2個SM321數字輸人模板，1個SM322數字輸出模板。所有的ET200M從站通過本站通訊接口模板IM153通訊接口與PROFIBUS—DP現場總線相連。其遠程站地址依次設為5一l2，與S7—300 PLC完成提升控制數據交換。

1．2 全數字直流調速硬件設計

傳動部分采用西門子SIMOREG DC—MASTER直流調速裝置，型號為6RA7093—4DV62—0。用于向提升直流電動機的電樞和磁場供電，通過PROFI．BUS—DP現場總線通訊網絡接受和執(zhí)行主PLC下達的運行速度、加速度上升和下降時間等各項指令，完成提升機運行參數的調節(jié)功能。調速裝置配備有PROFIBUS—DP現場總線接口，它可以作為S7—300PLC的一個從站。通過總線連接器與S7—300 PLC、S7—200 PLC、ET200M形成一個PROFIBUS—DP現場總線通訊局域網，完成各種數據交換功能。除了要在主站中設置連接外，還要對調速裝置自身的一些功能參數進行設置，才能保證主站和從站間的正常通信。參數P918用來設定從站的總線地址，本設計中其從站地址設為3，實現對PLC控制字，給定值狀態(tài)字的讀寫。

1．3 繼電器控制回路設計

繼電器控制回路包括：安全制動控制、一級制動控制、二級制動控制、提升機開停控制、方向控制、提升機減速控制、潤滑油站控制、液壓站控制回路等，它與PLC回路共同組成多重保護。繼電器回路和PLC回路既相互有機結合又保持相對獨立，當PLC故障暫不能投人時．仍可在系統(tǒng)保證基本安全的條件下應急開車。

1．4 系統(tǒng)基本功能

提升系統(tǒng)主要工作過程為：司機在看到允許開車信號以后，按下開車按鈕，由主PLC控制系統(tǒng)自動判斷開車去向，自動實現提升機開車、加速、等速、減速、爬行、停車的全過程。同時PLC監(jiān)視提升機運行過程中的安全狀況，發(fā)現問題自動采取相應對策。脈沖軸編碼器作為提升系統(tǒng)的行程和速度的測量器件，具有很高的測量精度。在提升機的電機軸和導向輪上，各安裝一個脈沖軸編碼器進行同步測量，其計數值進人FM350—1計數模塊計數，PLC對計數結果進行分析和控制，完成提升位移、速度計算控制和顯示功能。一般以導向輪上脈沖軸編碼器計數為準，如果2個脈沖軸編碼器計數值不一致，當其誤差達到一定值時，說明鋼絲繩打滑，PLC將發(fā)出報警信號。

2 、軟件設計

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）和數據塊（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中調用，需要時才執(zhí)行。PLC的CPU中的操作系統(tǒng)在系統(tǒng)啟動后將連續(xù)循環(huán)掃描執(zhí)行OB1，實現對現場設備的控制。本系統(tǒng)使用了3個OB塊（OB10、OB100、0B35）。OB100為加電啟動組織塊。在該組織塊中編制有關系統(tǒng)參數初始化的程序。該組織塊僅在系統(tǒng)加電起動后運行一次。0B35為中斷組織塊，它的主要功能是產生時間中斷，本系統(tǒng)時間中斷時間設為20 Ills，本系統(tǒng)利用OB35的時間中斷功能計算提升速度和加速度。OB1為循環(huán)運行組織塊，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，位置和速度的測量是利用FM350—1高速計數模塊接受裝在導向輪脈沖編碼器的脈沖計數，計算出提升位置值、加速度值和速度值。但在提升過程中，由于鋼絲繩的蠕動、打滑和導向滾筒襯墊的磨損等因素會對脈沖編碼器計數結果產生現偏差，導致深度位置計算誤差，影響系統(tǒng)安全運行。解決辦法是利用地面停車井筒接近開關校正，提升罐籠在每次向上運行過程中遇到該開關時，將該井筒開關所在位置的標準脈沖計數值寫入PLC中，減少編碼器因某種原因造成的計數誤差對提升狀態(tài)的影響。

2．2 速度曲線監(jiān)視控制

一旦運行方式、提升種類、去向確定，PLC將設計好的速度運行曲線命令6RA70全數字直流裝置執(zhí)行，提升運行速度曲線如圖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。PLC根據脈沖軸編碼器的脈沖計數信號，即可確定提升機所處的位置并計算出此時的給定速度。當實際速度超出給定速度15％的時候，控制系統(tǒng)自動報警并實行安全制動。這種連續(xù)速度包絡線監(jiān)測使提升機在提升全過程處于安全運行狀態(tài)。

2．3 自動準確停車控制

礦山經常碰到這樣的情況：為了準確停車，司機反復上下調罐，既費時又費事，大大影響提升效率。罐籠準確停車是衡量礦井提升控制系統(tǒng)性能優(yōu)劣的主要標志。本系統(tǒng)較好地解決了這個問題，其原理是利用脈沖編碼器的行程控制功能實現。在實現停車控制時以PLC中“軟”停車點為主，而且故意將這個“軟”停車點脈沖數比標準停車脈沖數增加一定數值，罐籠接近某中段停車位時，罐籠以低速爬行到達停車位，此時井筒開關動作，罐籠在低速爬行過程中準確停車，誤差幾乎為零，完全滿足礦山提升要求。

2．4 自由落體安全保護控制

提升系統(tǒng)常規(guī)保護控制有制動油壓過高或過低、上下過卷、超速、閘瓦磨損、錯向開車、編碼器故障、尾繩故障等保護控制。但這些故障保護絕大部分是在罐籠上下提升過程中才建立實現。實際上罐籠在靜止狀態(tài)下也必須有安全保護。某礦山曾出現過提升箕斗在停車維修狀態(tài)中，由于維修工人誤動液壓站可調線圈，而導致箕斗平衡錘自由落體，高速掉人幾百米深的井底事件，導致巨大經濟損失。自由落體安全保護控制設計思路是：在沒有開車信號時，PLC在循環(huán)掃描周期內不斷對脈沖編碼器脈沖數進行監(jiān)控，一旦脈沖數改變值在一定時間內的變化量大于給定值，即可視為自由落體故障，強行使液壓站油泵電機斷電，從而實現安全保護。

3、 上位機組態(tài)設計

上位機選用西門子工控計算機，并配打印機。

組態(tài)軟件選用SIEMENS公司WinCC5．0 SCADA組態(tài)軟件。PC機中安裝CP5611通訊板與S7—300 PLC上集成MPI接口通過MPI專用電纜構成MPI通訊網絡，該通訊方式以較少的通訊成本完成上位機與主控PLC的數據交換。

上位監(jiān)控系統(tǒng)分為系統(tǒng)管理、運行監(jiān)視、報表打印、故障報警和系統(tǒng)參數設置等5個基本組態(tài)模塊構成。每個模塊下有若干子模塊組成。可實現對提升系統(tǒng)罐籠位置、速度顯示、液壓站、潤滑泵、電機、調速裝置、各中斷安全門、搖臺、井筒開關信號等工作狀態(tài)進行監(jiān)控。同時還具有事故報警、人員提升次數、礦石提升產量計量等報表統(tǒng)計功能。對提高礦井提升系統(tǒng)安全可靠性和提高礦山生產效率，起著重要的作用。

4、 結語

在礦山提升電控系統(tǒng)采用PROFIBUS—DP通訊網絡后，以單個分散的、數字化、智能化的測量和控制設備作為網絡節(jié)點，通過現場總線構成的網絡完成礦井提升數據交換。這種設計思路最大的優(yōu)點是使礦山提升系統(tǒng)操作集中、管理集中，但卻使系統(tǒng)危險分散、控制分散。該系統(tǒng)已在某金屬礦投入使用。運行以來，性能穩(wěn)定、安全可靠，經受了數萬次的提升考驗，為礦山帶來了較大的經濟和社會效益。