基于PLC和组态王的矿井提升机数字监控器

赵树芬

(山西省煤炭规划设计院，山西 太原 030045)

矿井提升机在煤炭、冶金等深井矿山的生产过程中起着非常重要的作用。在电气控制设备方面对矿井提升机提出了以下几种基本要求：生产安全、可靠度高、功能强大、使用方便灵活。近几年，随着计算机控制技术的不断发展，通过计算机控制技术形成一套矿井提升机的电气控制系统是现代矿井生产的必然。在我国有90%以上的矿井提升机仍然采用的是传统的交流异步电动机来拖动，其单机容量为1 000 kW以下，而且采用在转子上串电阻来对电动机进行调速，这种调速方式会导致速度变换不平滑和不平稳。运行过程中人们会感觉不舒服。除此，还采用继电器和接触器等形成逻辑控制装置。

可编程序控制器(以下简称PLC)是专门使用于工业现场的，其能够处理多达上千个开关量，且不需要改变外部的接线，只需要通过改变程序就可以实现对控制系统的修改。由于其具有体积小、功耗低、编程容易、抗干扰能力强、集成度高以及操作方便等优点在工业上得到了广泛应用。PLC可以完成逻辑复杂的运算，通过使用PLC把调速系统由原来的继电器控制改造成PLC控制，能够使调速性能得到很好的改善。

1 PLC的基本原理及特点

1．1 基本原理

通过PLC对工业现场控制，就是按照一定的算法对输入输出进行变换，并使该变换得以物理实现。其中，输入输出变换指的是利用微处理器技术实现信息处理，使信息专用化，通过信息处理后才可以用于工业现场控制。而物理实现指的是使经过信号处理后得到的信号要排除各种干扰，适应PLC的工作环境。另外，要想使PLC能够应用于实际系统中，其输出功率应放大到工业控制所需要的大小。

1．2 PLC 特点

1)可靠性高、方便灵活的输入输出。

2)其编程容易、安装调试简单、维护方便以及可在恶劣的工业环境中使用。

3)其抗干扰能力强、自动化集成度高。

1．3 使用时注意事项

1)应远离强的振动源，同时要选择合适的温度和湿度，并保证其良好的通风散热空间。

2)避免空气中有较浓的粉尘灰以及带有腐蚀性气体。

3)PLC装置传送模拟信号的屏蔽线应将其一端接地，而且I/O线和控制线应分开布线，并保持一定的距离。

4)当在PLC装置的输入输出端接感性元件时，应该在输入输出端并联续流二极管，避免在电路断开后有电弧产生对PLC造成影响。

5)应保证PLC装置有较好的接地。在使用时应使PLC的接地与其他设备分开，如果要采用公共接地方式，不能采用串联接地的方式。同时，用于接地的线，其截面积应该大于2 mm2，最好使接地点能够靠近PLC装置。

2 数字监控器的工作原理

在20世纪末以PLC为核心控制器研制了一种用于监控矿井的设备，称其为数字监控器，其工作流程图见图1。

图1 数字监控系统工作流程图

其工作原理如下：

1)数字监控器首先对轴编码器进行计数，该编码器是安装在滚筒轴端的，计数后再通过同步开关进行置数校正，该同步开关安装在井筒上，经过处理得出矿井提升器件的提升行程S及提升速度V1。

2)再通过对测速发电机的信号衰减得到A/D转化器能够识别的信号，该测速发电机是装在减速箱的轴端的。信号经过A/D转换以后，数字监控器获得提升器件的运行速度V2，最后对V1和V2进行比较，其中最大的作为提升机实际的运行速度V。

3)通过对矿井提升机的提升行程S以及运行速度V数码转化、处理，显示结果。

4)数字监控器根据所选参数和停车位置，通过发出控制命令来确定提升速度V给定曲线的有关参数，例如，运行最大速度、运行中的加减速度等。

5)通过以上分析，提升机在松闸开车以后，依据对S和有关参数的设置，再通过函数V=f(S)来实时的确定速度给定值Vg，再将S与根据预先设好的加、减速点进行比较，最后通过 PLC来对加减速节点输出。

6)数字监控器最后按照保护原则来对与提升速度、行程以及速度给定值Vg相关的各项进行保护。

3 矿井提升机数字监控器的实现方案

1)可以依据现场的要求，提升机上安装2台轴编码器，其中1台用来检测电动机的转速，和滚筒相连接，另1台用来测绳速，与导向轮相连接。

2)要想获得准确的速度和距离信号，可将主电控接到模拟量输入模块。使其具有相对较强的行程控制和速度保护。

3)安全继电器以串联方式接在数字监控器的主电控安全回路中。

该数字监控器由硬件和软件组成，具体如下。

3．1 硬件构成

硬件构成主要是以可编程控制器为核心的，在此采用的PLC为西门子公司生产的S7－300，它具有先进的编程特性，可以通过相互组合组成一些特殊的功能模块如高速计数模块、轴定位模块以及协处理模块等。这样容易组态也方便安装。S7－300具有处理浮点运算能力强、运算速度快和体积小等优点，非常适合矿井使用。

其中，高速计数模块用来接受由编码器产生的脉冲并记数。脉冲编码器安装在矿井提升机的滚筒上，精度为1 mm，旋转1周产生1 000个脉冲。

系统的模拟量输出模块是用来输出由数字监控器计算出来的位置和速度模拟信号，再由模拟量输入模块接收。

系统的开关量输入模块是用来接收外部输送给PLC的与矿井提升机主电控系统相关的信号。而开关量输出模块是用来发出报警信号以及跳闸指令的。

系统还使用了人机接口界面，在选择人机接口时，使用了组态王6．52来进行软件开发，包括数字监控器参数的设置和信号的显示。

系统供电采用UPS供电，UPS可以一直不间断的给数字监控器供电，保证其任何时候都可以正常工作。同时为了防止电网产生的噪声干扰和尖峰电压干扰，还引入了稳压电源，本系统采用交流净化稳压电源，是一款集稳压和净化一起的稳压电源，其具有动态响应快、精度高和失真较小等优点。

3．2 软件构成

系统软件包括以下几部分：

1)主程序。它是PLC用来循环调用其他子程序并实现程序的总体功能。

2)数值处理。数值处理用来对一些必要的数据进行处理，以便程序任何时候都可以使用。主要包括对一些中间变量值与不同量纲之间的相互转化。

3)对计数值进行处理。主要是将记录的脉冲编码器的脉冲数转化成位置和速度等值，以随时供其他程序的应用，这是行程监控以及速度保护非常重要的值，是基础数据。

4)对数字监控器的同步比较和校正。其主要是用来对数字监控器实行同步比较和自身精确度的同步校正。对测量结果起到重要的作用。

5)系统开关量的处理。对硬件所得的所有开关量输入/输出进行处理。

6)系统模拟量的处理。硬件所得的所有模拟量输入/输出进行处理。

7)形成速度保护的曲线。速度保护曲线的形成是依据有关数值，如行程、加减速距离、速度最大值以及速度的加减等来形成的，是很重要的一部分。

8)对提升机工艺操作的控制。为了实现对数字监控器在各种工况下工作条件的判断，需要实时对矿井提升机所有的工艺操作过程进行控制。

9)与上位机通讯。上位机采用了“组态王6．52”作为软件开发工具，是用来对矿井提升机的数字监控器实现组态集成、动态仿真系统的控制电路，获得提升机的实时监控画面。组态王6．52为用户提供了非常丰富的图库以及对图库的开发工具，可以依据用户自己的需求来现场创建所需的控件，并且在画面上可以根据需要自由搭配。同时还提供了数据连接，容易实现，避免了以往复杂的界面设计。

在对组态王设计时，主要设计了主界面、操作界面、报警界面以及数据记录界面等，并且还对这些界面编写了一定的脚本程序。其中，主界面中设计了数字监控的总体图，用来对各执行设备的工作情况进行监视，并对参数指标进行设置。还可以对各个界面进行切换。在操作界面上用户可以方便的用鼠标和键盘等对现场设备及其相关参数进行操作。数据记录界面是用来对得到的数据进行记录显示，同时还提供了对历史数据的查询以及绘制了历史数据的变化曲线图，这些都是用来为用户进行参考分析的。

4 结论

本文研究的矿井提升机数字监控器使用PLC控制技术以及组态王软件开发来代替落后的机械式行程监控器。由于PLC控制提升机具有自动化集成度高的优点，同时配合组态王软件可以实时对工作现场进行监督控制，实现了矿井提升机的微机控制。因此，可以大大提高生产效率，减轻工作人员的劳动强度。该系统自运行以来安全可靠，故障率低，得到了广泛的应用。在煤矿工业中推广使用PLC控制技术，对实现工业自动化，提高生产效率等有着重要的意义。

［1］ 王清灵．现代矿井提升机电控系统［M］．北京：机械工业出版社，1996：21－22．

［2］ 刘志明．矿井提升机数字监控器的研制［D］．西安：西安科技大学，2006：19－20．

［3］ 刘 敏．可编程序控制器技术［M］．北京：机械工业出版社，2001：30．

［4］ 钟肇新，彭 侃．可编程控制器原理及应用［M］．第2版．广州：华南理工大学出版社，2001：35－36．

［5］ 盛 忠，毕昌虎，李 扬．PLC在提升机电控系统中的应用［J］．煤矿机械，2000(6)：49－50．