基于PROFINET现场总线的副井操车电控及信号系统的研究与应用

王爱军

(开滦(集团)钱家营矿业分公司，河北省唐山市，063000)



基于PROFINET现场总线的副井操车电控及信号系统的研究与应用

王爱军

(开滦(集团)钱家营矿业分公司，河北省唐山市，063000)

针对开滦(集团)钱家营矿业分公司副井操车系统存在的问题，设计了基于PROFINET现场总线的副井操车电控及信号系统，分析了副井操车电控及信号系统设计，介绍了副井操车电控及信号系统硬件设计和软件设计，阐述了副井操车电控及信号系统实现的功能和改造效果。实际应用表明，该电控及信号系统降低了副井操车的故障率，提高了运输效率。

副井操车 电控系统 信号系统 现场总线

煤矿副井担负着生产所需人员、设备、物料、矸石等的运输任务，工况复杂，副井的安全提升是煤矿安全生产的基础保障。开滦(集团)钱家营矿业分公司是一座1988年投产、产量为500万t/a的大型现代化矿井，副井操车过去一直采用风动系统，控制系统是基于西门子S7200系列PLC，通过通讯电缆进行通讯。由于副井操车已经使用多年，风动系统存在系统冲击大、受力不均匀、机械部分惯性大力大以及易于损坏等问题，同时电控系统存在抗干扰性差、效率低、故障率高以及维护量大等问题。为了确保副井安全提升，现将副井操车系统改造为基于PROFINET现场总线远端控制的销齿式推车机。

1 副井操车电控及信号系统设计分析

副井操车电控及信号系统具有结构简单、抗干扰能力强、维护量小以及安全可靠等优点，主要控制安全门、阻车器、推车机和摇台等设备动作。原操车系统安全门、阻车器、摇台均为风动系统，推车机为电动机驱动，各个设备动作控制较为复杂。 此次改造将风动系统改造为液压系统，增设液压站，副井操车电控及信号系统通过控制液压系统中的电磁阀动作来实现油路变换，通过液压缸的伸缩控制机械部件的动作。此方案简化了整个操车系统结构，有利于利用PROFINET现场总线技术实现副井操车电控及信号系统通讯。

2 副井操车电控及信号系统硬件设计

副井操车电控及信号系统硬件部分主要由传感器、传感器分线箱、操作台、防爆箱、馈电开关、真空磁力启动器、北码信号箱、液压站分线箱以及连接这些设备的各种电缆所组成，副井操车电控及信号系统硬件组成示意图如图1所示。

2.1 传感器

利用传感器收集各个操车部件动作信号，本次改造后所使用传感器为磁力感应传感器。将传感器安装到需要监控的部件上，操车部件运行过程中带动传感器运动，当操车部件达到预定位置时，传感器在磁铁的有效磁场范围内通过磁铁的磁力作用，其内部触点发生动作，并将触点的动作信息以电信号的形式给PLC数字量输入。

2.2 传感器分线箱

传感器分线箱将来自多处且分散的多跟电缆通过端子排中转集中到一起，然后再通过一根24芯电缆传递到操作台内，此方法减少了操作台电缆接口，同时易于发生故障时排除故障。

图1 副井操车电控及信号系统硬件组成示意图

2.3 操作台

操作台作为人机对接环节，将实时显示各操车部件的动作情况。工作人员通过操作台按钮发出的控制信息，完成对操车动作控制。

2.4 防爆箱

防爆箱为该水平整个操车电控及信号系统的枢纽部分，起到与上下井口通讯、连接操作台与液压站以及实现信息传递等重要功能。

2.5 北码信号箱和液压站分线箱

北码信号箱可提供副站准备好信号和急停信号，当北码出现特殊情况时，急停按钮可以随时停止操车运行，大大提高了操车的安全可靠性。液压站分线箱将来自液压站电磁阀的多条电缆聚集到一根24芯电缆中与防爆箱连接，节省了防爆箱的电缆接口。

2.6 动力部分

动力部分采用1台馈电开关作为本水平操车电源总开关，1台照明综保,2台磁力启动器分别控制液压站2台油泵电机的起停。

3 副井操车电控及信号系统软件设计

3.1 设计原则

在充分考虑对设备的控制和安全管理需要，系统设计着重考虑先进性、可靠性、可扩展性及安全性。系统设计、系统配置采用先进成熟的控制方式和网络技术，充分考虑系统的抗干扰性，采用开放的PROFINET新技术，把网络化和信息化引入到控制领域，构建完整的控制网络和信息网络。实现控制灵活和信息共享，满足集团公司两化融合战略的发展需要。

3.2 PROFINET 的硬件构成

副井操车电控及信号系统分别采用两套独立供电的S7-300PLC系统控制，以车房为主站的信号部分采用双PLC、互为主备的双系统。主站与分站之间采用PROFINET总线方式的拓扑结构，由工业以太网交换机作为网络传输中继设备，通过光纤进行数据交换与传送。主站和3个分站都有设定的专用IP地址。使用ET200M远程I/O模块作为从站来控制现场设备，通过传感器采集外部设备的到位情况并在操作台模拟屏上显示，并将井上、井下设备的动作情况及报警信号传输到绞车房，在上位机中显示出来，通过面板上的按钮给PLC指令，然后经内部程序运算，由PLC的输出点带动相应的继电器动作，继电器再带动相应的液压电磁阀，实现对整个操车部分的控制。

3.3 SIMATIC S7主站构成

本系统选用CPU315-2DP模块和CP343-1模块系统作为IO控制器的主站控制中心和工业以太网通讯处理中心。CPU 315-2 DP 是一款带有中/大规模程序量和PROFIBUS DP 主/从接口的CPU，它除了可以组成集中式I/O结构，还可以组成分布式自动化结构。CPU315-2DP模块具有中、大容量的程序存储器和数据结构，可以供 SIMATIC组态工具使用,对二进制和浮点数运算具有较高的处理能力。CPU 315-2 DP 安装有微处理器，处理器对每条二进制指令的处理时间大约为 50 ns，每个浮点预算的时间为 0.45 s。256 KB 工作存储器(相当于大约 85 K条指令)与执行程序段相关的大容量工作存储器可以为用户程序提供足够的空间。作为程序装载存储器的微型存储卡(最大为 8 MB)，也允许将可以项目(包括符号和注释)保存在 CPU 中。装载存储器还可用于数据归档和配方管理。CP343-1用于连接S7-300 PLC到PROFINET，作为IO控制器连接现场IO设备。CP343-1拥有一个预定的唯一以太网地址，通过网络可直接使用。在CP343-1中集成了2端口实时ERTEC交换机，它具有自动跨接、自动协商和自动检测功能。CPU315-2DP模块和CP343-1模块两者配合使用，可处理过程信号和直接将现场IO设备连接到PROFINET上。

3.4 软件实现

该系统的编程软件采用SIMATIC公司的STEP7 V5.4版本，应用结构法编制控制程序，将繁杂的操车控制流程和装卸载任务信号系统划分成可以反复使用的小任务，由相应的程序块来执行。随着矿井提升系统自动化程度不断提高，对PLC程序的标准化、结构化、模块化的要求也越来越高。模块化编程作为一种标准化的编程方式，具有极强的规范性，如程序运行时所需的大量数据和变量存储在数据块中，通过组织块OB(主要为串并时钟等程序)、功能块FC(主要为车房输入、打点程序、信号闭锁、显示程序、油泵控制程序及操车完成等程序)、数字块DB(主要为输入变量、输出变量、存储变量及信号闭锁变量等程序)、系统功能块SFC(保证PROFINET数据传输的实时性)等之间的调用，完成系统数据的采集输入、程序执行、输出控制等，实现驱动操车系统部件的相应动作功能，满足装卸载任务的要求。

4 副井操车电控及信号系统实现的功能

开滦(集团)钱家营矿业分公司副井操车电控及信号系统改造包括提升信号和上井口、-450 m井口、-600 m井口操车电控部分，具有独立的主用和备用信号和操车电控控制。整个改造工程于2016年8月完成并投入运行，通过半年多的运行表明，该系统运行情况良好，实现了预期的功能。

4.1 电控系统实现的功能

提人时具有带副站和不带副站两种操作方式，两种方式间有闭锁。使用带副站提人方式时，当副站没有发出准备好信号时，主站不能发出信号，满足提升系统安全要求。各水平南北码、主副站均有急停信号且有与提升绞车的安全回路闭锁的接口。罐笼所在水平的提升、停车和急停信号直接发向绞车房。急停信号声光兼备，在上位机上能快速分辨发出急停信号的位置。在绞车房按下“急停复位”钮后才能再次发出提升信号。安全门、摇台、阻车器具有双重检测硬件与双重软件判断。操车电控操作方式具有手动和自动两种方式，两种方式受程序闭锁限制。

4.2 信号系统实现的功能

副井操车信号系统与提升绞车电控系统有启动回路闭锁，即信号不发到车房，绞车不能启动，同时能够进行急停控制。改造后的信号系统实现了以下功能：

(1)信号系统具有记忆功能，能储存前3次所发信号，也有提升次数的记忆功能。

(2)信号之间具有闭锁功能，即当其中一个信号发出后，其他信号不能发出。当多水平提升时，只有被选择的水平可发提升信号，其它水平不能发出提升信号，只能发出停车信号和急停信号。

(3)信号与开车回路具有闭锁功能，即信号不发到车房，提升绞车不能启动。

(4)水平安全设施与信号具有闭锁功能，即井门和摇台等井口安全设施不到位，信号不能发出。

(5)PLC对本信号系统具有自动扫描检测功能。

(6)有主用和备用两套信号系统，备用信号可在主用信号损坏情况下做应急信号使用。当主用信号出现问题时，断开主用信号电源开关，投入备用信号电源即可使用。

(7)有语言安全告警功能，提人时，信号工发出开车信号后，语言告警装置的LED屏显示“信号发出，严禁上罐”显示字符亮，并伴有相同的语言告警，延时一段时间后声音停止，字符显示仍然保持。当停止信号发出后，字符显示消失，为下一次提升做准备。

5 副井操车电控及信号系统改造效果

5.1 优化了网络功能

在副井操车电控及信号系统中采用PROFINET网络后，用总线相连接，实现矿井多个水平信息相互交换，具备了监控和网络功能。PROFINET的结构能够使用户由Internet通过企业办公管理网络垂直地向下接入各个现场设备，实现直接监控，这使得矿井的工业化和信息化水平大幅提升，满足了集团公司两化融合战略的发展需要。

5.2 提高了系统可靠性，降低了成本投入

采用PROFINET总线连接方式代替一对一I/O连线，减少了由于接线点过多所造成的不可靠因素。系统具有在线故障诊断、报警、记录等功能，可以完成现场设备的远程参数设定、监控、修改编程等工作，简化了系统维护，减少了维护工作量。同时在整个系统的安装和维护中，省去了大量的电缆、触发模块、继电器、接触器，降低了系统成本。由于系统可靠性和稳定性得以提高，因此生产效率也得以提高。

[1] 阳宪惠.现场总线技术及其应用[M] .北京：清华大学出版社，1999

[2] 王树东,靳雷,吴明永等. 基于PROFINET和PROFIBUS集成网络的熔炼集散控制系统[J].工业仪表与自动化装置，2009(6)[3] 崔坚.西门子工业网络通信指南[M].北京：机械工业出版社，2005

[4] 张同利.副井操车系统技术改造[J].中国煤炭，2008(11)

(责任编辑 路 强)

山西省将煤炭产业占比降低率列入考核体系

《山西省区域经济转型升级考核评价暂行办法》印发，明确将煤炭产业占比降低率列入省市县三级考核体系。

该指标体系专门设计了“资源环境”板块，对环境指标、水资源指标、能耗指标以及土地利用指标进行考核，指标权重由原先的16分提高到22分。为体现转型发展是有质量、有效益的增长，是真金白银、实实在在的增长，考核评价指标体系中还设置了增长质量板块。

山西省通过进度监测评价，总结经验，发现问题，改进工作。同时，将每项指标的责任落实到省直各牵头部门，压紧压实各层面目标责任。各市、县(市、区)在安全生产和统计数据等方面发生重大问题的，实行“一票否优”，取消当年表彰资格。

Research and application of electronic control and signal system of auxiliary shaft operation system based on PROFINET fieldbus

Wang Aijun

(Qianjiaying Mining Industry Branch Company of Kailuan Group, Tangshan, Hebei 063000, China)

Aiming at the open problems of auxiliary shaft operation system in Qianjiaying Mining Industry Branch Company of Kailuan Group, electronic control and signal system of auxiliary shaft operation system based on PROFINET fieldbus was designed and analyzed, hardware design and software design of the system were introduced, and realized functions and reforestation effects of the system were elaborated. The field application indicated that the system lowered failure rate of auxiliary shaft operation system and improved transportation efficiency.

auxiliary shaft operation system, electronic control system, signal system, fieldbus

王爱军. 基于PROFINET现场总线的副井操车电控及信号系统的研究与应用 [J].中国煤炭，2017，43(5)：90-93. Wang Aijun.Research and application of electronic control and signal system of auxiliary shaft operation system based on PROFINET fieldbus[J].China Coal，2017，43(5)：90-93.

TD633

A

王爱军(1972-)，男，河北卢龙人，现任开滦钱家营矿机电副总工程师，主要负责矿井机电和运输技术管理工作。