冗余PLC控制的矿井提升机控制系统设计

胡雪雪

0 引言

矿井提升机是煤炭井下运输的最后环节，随着嵌入式技术、电力电子技术、通讯技术等的发展，提升机电控系统逐渐运用新一代PLC控制技术替代继电器和外围电路、变频器替代交流接触器，实现提升机控制和调速[1]。提升机在实际运行中，有时提升机故障会出现在PLC硬件或外围器件上，导致提升机停运给煤炭生产造成严重损失。故本文开发一套冗余PLC控制的矿井提升机控制系统[2-3]，采用两套西门子S7-400 PLC来实现硬件的双机热备，并通过软件编程实现双PLC故障的冗余切换，确保提升机安全可靠运行。

1 系统总体结构设计

冗余控制是指系统在工作中发生故障时，通过备用关键设备使控制系统快速启动，从而维持系统的正常工作[4]。提升机在运行过程中，一旦PLC控制器出现故障，提升机将停运，进而影响煤炭生产，故冗余PLC设计对故障率降低及可靠性提高至关重要。

图1系统总体结构设计

冗余PLC提升机控制系统由冗余PLC、上位机、变频器、触摸屏、深度指示器、工频电阻、提升系统设备、检测传感器等组成。其系统总体结构设计如图1所示。

主要工作过程：首先，采集安装于电机轴、滚筒主轴的轴编码器的脉冲，运用PLC的高速计数模块进行计数并经过PLC逻辑运算处理后，形成按行程给定的运行曲线；其次，运用PLC的A/D模块将电流互感器和压力传感器采集的现场电机电流、液压站和润滑站的油压转化为数字信号，并上传到上位机来实现参数实时监控；最后，运用PLC的数字量输入模块采集的提升系统的各种开关量，判断并校正提升机和各外部设备的运行状态来保证提升机的平稳运行。正常工作时，由于备用PLC的外部控制线路和主控PLC一致，故主控PLC运行，备用P LC闭锁全部输出信号，仅当主控P LC发生异常时，开放备用P LC输出闭锁，实现控制系统双P LC之间的无扰动切换。

2 系统硬件设计与功能

系统的主/备PLC均选用S7-400PLC。PLC主要完成提升系统的信号采集、处理、上传等，PLC依据输入的外部数字量和模拟量，完成相关逻辑计算，控制提升机的平稳运行，实现各种故障的判断及数据上传。

控制系统需配置的基本模块：两个电源模块PS407、两个CPU模块CPU412-2DP、两个高速计数模块FM450-1、若干数字量输入模块SM421、若干数字量输出模块SM422、两个通讯模块CP443-1、若干模拟量输入模块SM431、若干模拟量输出模块SM432等。

触摸屏选用西门子TP170A。将PORT1端口与主控PLC连接，实现触摸屏与主控PLC通过RS485进行通信；将POTR2端口与主控PLC和备用PLC连接，实现自由口通信功能，并将主控PLC的数据实时传输给备用PLC，实现数据实时动态监测与显示功能。变频器选用功能强大的西门子6ES70，可实现多级变频调速。

冗余PLC提升机控制系统为保证提升系统的可靠性和改善调速方式的单一性，原工频电阻控制电路被系统保留，一旦变频器故障或需要检修，则立即运行工频电阻来调节提升机的速度，保证平稳运行。PLC控制系统主要完成以下功能：

（1）完成主令操作控制、发送指令及控制提升机电控系统的工作状态。

（2）执行操作程序、确定提升方向及生成提升信号。

（3）控制液压制动系统，实现松闸或抱闸。

（4）实现行程给定功能、提升容器的位置控制及对箕斗位置进行实时监控和显示。

（5）检测提升机运行实时数据并上传。

（6）将PLC外部输入的实时与标准数据比较，编程判断提升机实际故障部位。

3 软件设计

图2主控程序流程图

本系统软件程序由主控程序、通信与冗余PLC故障切换子程序、故障处理子程序、速度校验子程序组成。主控程序的功能是完成初始化、同步校正、提升运行控制、启停等。通信与冗余PLC故障切换子程序的功能是检测主控PLC的各项运行参数和数据上传。并在主控PLC故障时，自动转换至备用PLC运行，进而达到双机热备的切换目的。故障处理子程序功能是完成提升机过卷、超速和过载保护、监控运行速度和位置、监控变频器故障等，当一有故障出现，就运行相应故障处理子程序，控制安全回路抱闸及停车，并上传上位机报警及显示故障信息。速度校验子程序对轴编码器产生的脉冲通过PLC高速计数模块进行计数来测速，并同时对两套轴编码器进行同步校验。主控程序流程图如图2。

图3上位机提升机组态图

系统的上位机界面设计，选用西门子SIMATICWinCC5.0制作，对提升机运行时的各种状态进行组态显示，将在触摸屏和上位机上显示整个提升过程和提升参数，实现触摸屏、上位机与提升机电控系统运用工业以太网通信。上位机提升机组态如图3。

4 结语

本文设计的冗余PLC控制的矿井提升机控制系统，具有完善的硬件和软件，电控系统采用两套PLC互相冗余，变频和工频两种调速方式，实现提升机运行过程中过卷、超速、过载等故障的检测与保护，改善了提升机控制系统一旦故障严重影响生产及调速方式单一的问题，实现提升机平稳运行，并满足煤矿井下安全运输的要求。实际运行表明，改造后的系统进一步提高了提升机电控系统的安全可靠性及准确性，能够使矿井提升机更平稳运行。