利用s7—300 PLC和现场总线实现矿山提升电控系统的设计

引言

随着计算机网络技术在工控领域的应用和发展，建立基于PROFIBUS—DP现场总线的矿井提升控制监控系统成为解决矿井安全提升问题的有效途径。近10 a来，世界上出现了多种有影响的现场总线，其中，PROFIBUS—DP现场总线是一种全数字化的、串行、双向传输、多分支结构的通信网络，专为自动控制系统和分散I／O设备之间通信设计。在单根电缆上连接多个仪表和设备，传递的信息量大、抗干扰性能力强，大幅降低安装、运行和维护成本，PRO．FIBUS—DP现场总线在矿山提升电控系统中的应用可以使系统更可靠、简便、直观。

1、 系统硬件设计及主要功能

控制对象为某金属矿山副井，该副井承担着该矿人员和材料提升，还要承担井下部分矿石提升任务。井深为520m，共设8个水平中断，副井提升机采用2．5m多绳摩擦轮，双层罐笼配平衡锤方式。直流电动机驱动，直流电动机功率为400kW，正常提升时速为8m／s。提升特殊材料如炸药、雷管等，时速为2m／s，爬行距离为6m，爬行速度0．5m／s。控制监控系统均建立在基于ROFIBUS—DP现场总线通讯网络之上，如图1。

1．1 PLC硬件设计

PLC选型根据通用性、标准性、可靠性等原则，系统主站采用德国SIEMENS S7—300 PLC（CPU315— 2DP），站地址设为2。s7—300 PLC系列的PLC一个机架上最多带8个输人输出和功能模块。在本副井提升机控制系统中使用了5个输人模块SM321和3个输出模块SM322，2个高速计数模块FM350—1，因此采用了2个机架，中央机架和扩展机架用131365通讯模块连接。2个机架均装有PS307电源模块给PLC系统供电。主控系统PLC主要完成逻辑运算控制、安全回路控制、速度运算和监视、行程计算和保护等任务。

地面信号室和+27 m材料装运平台主要完成控制安全门、摇台、选择材料种类、罐笼去向等任务，为了减轻主控PLC的控制任务，在信号室配备一台SIEMENS S7—200 PLC（CPU226）完成上述功能，一块EM223用于输入输出点数扩展。在CPU226上扩展一块EM277通讯模块。CPU226作为智能从站通过EM277挂接在PROFIBUS—DP总线上，该站作为S7— 300 PLC的从站，地址设为4。1～8’水平中段位于井下，主要完成采集本中段井筒开关信号，控制安全门、摇台，上下调罐、向地面信号室发出各种呼罐信号等任务。

各中断采用ET200M远程控制站与地面PLC通讯，ET200M是基于PROFIBUS—DP现场总线的分布式控制系统。本系统共有8个ET200M分布式I／O从站。每个ET200M分布式I／O从站有2个SM321数字输人模板，1个SM322数字输出模板。所有的ET200M从站通过本站通讯接口模板IM153通讯接口与PROFIBUS—DP现场总线相连。其远程站地址依次设为5一l2，与S7—300 PLC完成提升控制数据交换。

1．2 全数字直流调速硬件设计

传动部分采用西门子SIMOREG DC—MASTER直流调速装置，型号为6RA7093—4DV62—0。用于向提升直流电动机的电枢和磁场供电，通过PROFI．BUS—DP现场总线通讯网络接受和执行主PLC下达的运行速度、加速度上升和下降时间等各项指令，完成提升机运行参数的调节功能。调速装置配备有PROFIBUS—DP现场总线接口，它可以作为S7—300PLC的一个从站。通过总线连接器与S7—300 PLC、S7—200 PLC、ET200M形成一个PROFIBUS—DP现场总线通讯局域网，完成各种数据交换功能。除了要在主站中设置连接外，还要对调速装置自身的一些功能参数进行设置，才能保证主站和从站间的正常通信。参数P918用来设定从站的总线地址，本设计中其从站地址设为3，实现对PLC控制字，给定值状态字的读写。

1．3 继电器控制回路设计

继电器控制回路包括：安全制动控制、一级制动控制、二级制动控制、提升机开停控制、方向控制、提升机减速控制、润滑油站控制、液压站控制回路等，它与PLC回路共同组成多重保护。继电器回路和PLC回路既相互有机结合又保持相对独立，当PLC故障暂不能投人时．仍可在系统保证基本安全的条件下应急开车。

1．4 系统基本功能

提升系统主要工作过程为：司机在看到允许开车信号以后，按下开车按钮，由主PLC控制系统自动判断开车去向，自动实现提升机开车、加速、等速、减速、爬行、停车的全过程。同时PLC监视提升机运行过程中的安全状况，发现问题自动采取相应对策。脉冲轴编码器作为提升系统的行程和速度的测量器件，具有很高的测量精度。在提升机的电机轴和导向轮上，各安装一个脉冲轴编码器进行同步测量，其计数值进人FM350—1计数模块计数，PLC对计数结果进行分析和控制，完成提升位移、速度计算控制和显示功能。一般以导向轮上脉冲轴编码器计数为准，如果2个脉冲轴编码器计数值不一致，当其误差达到一定值时，说明钢丝绳打滑，PLC将发出报警信号。

2 、软件设计

S7—300 PLC用西门子公司STEP7软件编程。STEP7将用户程序指令存放在“块”中，本控制系统主要有4类用户程序：功能Fc（Function）、功能FB（FuncTIon block）、组织块OB（OrganizaTIon block）和数据块（Date block），其中FB和Fc作为OB的子程序。主循环模块OB1中存放所有用户程序以待执行，也可以将用户程序存放入不同的功能模块中，只在OB1中调用，需要时才执行。PLC的CPU中的操作系统在系统启动后将连续循环扫描执行OB1，实现对现场设备的控制。本系统使用了3个OB块（OB10、OB100、0B35）。OB100为加电启动组织块。在该组织块中编制有关系统参数初始化的程序。该组织块仅在系统加电起动后运行一次。0B35为中断组织块，它的主要功能是产生时间中断，本系统时间中断时间设为20 Ills，本系统利用OB35的时间中断功能计算提升速度和加速度。OB1为循环运行组织块，即用户主程序部分，提升系统PLC主程序流程框图如图2所示。

2．1 提升系统行程校正控制

在提升过程中，位置和速度的测量是利用FM350—1高速计数模块接受装在导向轮脉冲编码器的脉冲计数，计算出提升位置值、加速度值和速度值。但在提升过程中，由于钢丝绳的蠕动、打滑和导向滚筒衬垫的磨损等因素会对脉冲编码器计数结果产生现偏差，导致深度位置计算误差，影响系统安全运行。解决办法是利用地面停车井筒接近开关校正，提升罐笼在每次向上运行过程中遇到该开关时，将该井筒开关所在位置的标准脉冲计数值写入PLC中，减少编码器因某种原因造成的计数误差对提升状态的影响。

2．2 速度曲线监视控制

一旦运行方式、提升种类、去向确定，PLC将设计好的速度运行曲线命令6RA70全数字直流装置执行，提升运行速度曲线如图3。

图3中， 段为加速段，，4B为等速段，BC为减速段，CD为爬速段，E为停车点。PLC根据脉冲轴编码器的脉冲计数信号，即可确定提升机所处的位置并计算出此时的给定速度。当实际速度超出给定速度15％的时候，控制系统自动报警并实行安全制动。这种连续速度包络线监测使提升机在提升全过程处于安全运行状态。

2．3 自动准确停车控制

矿山经常碰到这样的情况：为了准确停车，司机反复上下调罐，既费时又费事，大大影响提升效率。罐笼准确停车是衡量矿井提升控制系统性能优劣的主要标志。本系统较好地解决了这个问题，其原理是利用脉冲编码器的行程控制功能实现。在实现停车控制时以PLC中“软”停车点为主，而且故意将这个“软”停车点脉冲数比标准停车脉冲数增加一定数值，罐笼接近某中段停车位时，罐笼以低速爬行到达停车位，此时井筒开关动作，罐笼在低速爬行过程中准确停车，误差几乎为零，完全满足矿山提升要求。

2．4 自由落体安全保护控制

提升系统常规保护控制有制动油压过高或过低、上下过卷、超速、闸瓦磨损、错向开车、编码器故障、尾绳故障等保护控制。但这些故障保护绝大部分是在罐笼上下提升过程中才建立实现。实际上罐笼在静止状态下也必须有安全保护。某矿山曾出现过提升箕斗在停车维修状态中，由于维修工人误动液压站可调线圈，而导致箕斗平衡锤自由落体，高速掉人几百米深的井底事件，导致巨大经济损失。自由落体安全保护控制设计思路是：在没有开车信号时，PLC在循环扫描周期内不断对脉冲编码器脉冲数进行监控，一旦脉冲数改变值在一定时间内的变化量大于给定值，即可视为自由落体故障，强行使液压站油泵电机断电，从而实现安全保护。

3、 上位机组态设计

上位机选用西门子工控计算机，并配打印机。

组态软件选用SIEMENS公司WinCC5．0 SCADA组态软件。PC机中安装CP5611通讯板与S7—300 PLC上集成MPI接口通过MPI专用电缆构成MPI通讯网络，该通讯方式以较少的通讯成本完成上位机与主控PLC的数据交换。

上位监控系统分为系统管理、运行监视、报表打印、故障报警和系统参数设置等5个基本组态模块构成。每个模块下有若干子模块组成。可实现对提升系统罐笼位置、速度显示、液压站、润滑泵、电机、调速装置、各中断安全门、摇台、井筒开关信号等工作状态进行监控。同时还具有事故报警、人员提升次数、矿石提升产量计量等报表统计功能。对提高矿井提升系统安全可靠性和提高矿山生产效率，起着重要的作用。

4、 结语

在矿山提升电控系统采用PROFIBUS—DP通讯网络后，以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，通过现场总线构成的网络完成矿井提升数据交换。这种设计思路最大的优点是使矿山提升系统操作集中、管理集中，但却使系统危险分散、控制分散。该系统已在某金属矿投入使用。运行以来，性能稳定、安全可靠，经受了数万次的提升考验，为矿山带来了较大的经济和社会效益。