提升机自动监控系统的设计研究

王树锋

（晋能控股煤业集团煤峪口矿，山西 大同 037003）

引言

提升机作为煤矿作业生产的关键提升设备，主要承担着煤矿矸石、煤炭等材料以及人员和设备的下放、提升以及运送任务[1]，因此，提升机在煤矿生产中发挥着至关重要的作用，是输送井上井下货物以及人员的关键桥梁[2]。提升机主要由电动机、操作系统、卷筒、深指系统、减速器和制动系统等组成，驱动电机采用直流或者交流方式，而提升机的提升和下降过程就是利用对直流或者交流电动机的正反转来控制实现的[3]。为保证提升机在升降中运行平稳，不论电动机是处于反转状态还是正转状态，一般都存在启动、加速、再加速、中速运行、减速、全速匀速运行、低速运行、制动停车等阶段[4-5]。由于提升机在运行中PLC硬件会发生故障，造成提升机停运，给煤炭生产造成严重的损失，本文设计采用冗余PLC控制[6-7]的提升机全自动监控系统，来实现提升机的全自动运行，进而保证提升机的稳定、安全及运行可靠。

1 提升机冗余PLC控制系统的总体设计

在矿井生产中，提升机故障通常会发生在PLC硬件或者外围器件上，造成提升机停运，给煤炭生产产生严重的损失[8]，因此，本文设计采用冗余PLC控制的提升机全自动监控系统。选用两套PLC来对硬件进行双机热备，接入并保留原转子回路串电阻控制回路，将变频调速系统接入，实现无极和多级调速，降低故障发生的概率。在提升机运行时，当发生故障时，可以实现快速切换PLC和变频、转子回路串电阻调速系统，保证系统运行的安全可靠。

当系统在作业时出现故障，利用冗余控制[9]，并借助备用关键设备来快速启动控制系统，进而维持系统的正常作业，因此设计应用冗余PLC控制系统不仅可以提高控制系统的可靠性，还可以降低故障发生率。提升机自动监控系统包括有冗余PLC、触摸屏、上位机、转子回路串电阻、变频器、监测传感器等。图1为提升机自动监控系统的总设计图。

图1 提升机自动监控系统的总设计图

冗余PLC控制提升机自动监控系统主要功能是当PLC产生故障时避免提升机停车。当PLC主控产生故障时，利用程序切换至副PLC运行，冗余PLC和安全回路及信号系统、液压站、井筒及深度指示信号、变频器/转子回路串电阻、轴编码器、操作台及上位机连接，采集传感器利用PLC逻辑控制单元处理来对提升机运行进行控制，最后通过上位机将提升机的运行状态信息进行显示。

2 软硬件设计

在提升机硬件设计中控制器采用S7-400PLC，对PLC输入和输出点数进行分配，对PLC地址也进行分配，实现提升机控制系统的功能；对于提升机软件是对控制系统程序进行设计，有提升机运行控制模块、固定值传送模块、数字量/模拟量处理模块、安全回路模块、液压控制模块、故障处理模块和报警模块等，通过将程序编好并下载至PLC中进行程序的运行操作，进而对提升机设备进行运行控制，实现提升机的精准运行控制和保护。

2.1 硬件设计

提升机冗余PLC控制系统的主副PLC都选用西门子S7-400系列，主要是实现整个系统的运行控制、信号处理、系统保护和数据计算等。依据外部输入PLC的模拟量、数字量信号，在PLC中完成逻辑推算，通过PLC控制对提升机进行启动、停车、运行和故障保护等，对提升机的过卷、过速、闸瓦磨损等实现保护。

采用冗余控制提升机，借助于PROFIBUS通信协议实现主副PLC通信，并借助MPI通信协议与上位机进行通信，其中，主PLC内部主体含有输入输出寄存器、I/AI与O/AO输入/出口、CPU、存储器、电源和MPI/DP通信接口，其和副PLC、外部传感器、变频器/转子回路串电阻、上位机相连接。图2为提升机主PLC和外部设备的连接设计图。

图2 提升机主PLC和外部设备的连接设计图

2.2 软件设计

提升机软件控制设计含PLC程序和上位机监控软件设计。S7-300/400系列PLC选用SIMATIC Manager软件进行编程；S7-200系列PLC选用STEP7 MicroWIN软件进行编程，以上都称作STEP7软件。提升机控制系统主控程序可完成初始化、主副PLC通讯、自检、节能运行控制、故障诊断与报警、启停、液压控制和模拟量/数字量处理等工作。图3为提升机控制系统主控程序流程图。

3 上位机监控软件设计及运行调试

上位机监控软件可以组态提升机作业中的各种状态，将直观的数据和信息提供给提升机司机，组态画面有提升主界面、运行曲线界面、安全回路界面、传动界面、故障树界面、液压站界面等，将这些界面组态的控件连接于现场PLC中用来收集现场信息的变量，并将现场运行情况实时反应出来，便于维修人员和提升机司机获得操作与维修数据，因此，上位机监控软件起着至关重要的作用。

本文中，上位机组态软件采用西门子SIMATIC WinCC Explorero[10]制作，在触摸屏、上位机上将提升机运行整个过程进行显示，并将提升机控制系统利用通讯协议MPI进行通信。针对提升机各种界面设计，本文只重点仿真分析主界面和故障树界面设计的运行效果，分别得到图4所示的结果。

图3 提升机控制系统主控程序流程图

图4 提升机故障树界面

主控界面显示提升机的动态运行过程，其会随着提升机的运行，箕斗也会上下运动，界面设计有安全回路情况、井筒开关情况的闪烁显示、停车回路情况、提升机速度、PLC主副箕斗位置、闭锁回路情况、油压给定、开车信号等，还将不同界面的切换设置于最下方，便于监控其他界面回路。图4中，主要是对计算机定量计算的中间事件、各底事件的概率重要度进行显示，并依据大小顺序排序显现，可对故障实时监控查看。

4 结语

针对提升机在运行中PLC硬件会发生故障，造成提升机停运。本文设计采用冗余PLC控制的提升机全自动监控系统，选用两套PLC来对硬件进行双机热备，接入并保留原转子回路串电阻控制回路，将变频调速系统接入，实现无极和多级调速，降低故障发生的概率。还对该系统的软硬件进行设计，其中上位机监控设计采用西门子WinCC组态软件，并对该系统主界面运行效果进行查看，结果表明冗余PLC控制能够实现提升机的全自动运行，且检修方便，提高了生产效率。