矿井提升机PLC控制系统介绍

国传电气技术交流

产品技术

2024年01月08日发布

导读：矿井提升机PLC控制系统是矿井提升电控系统的重要组成部分，它是通过PLC编程控制将矿井提升电控系统各个重要部件进行高效连接通信的重要工具。

       今天，我们为大家推出了矿井提升PLC控制系统介绍，尽管S7-300PLC已经停产，我司也已更换S7-1500系列产品，但基于市场上依旧存在较多以S7-300系列PLC控制系统，因此我们本次仍以该系列产品为主要案例进行介绍，希望能在日常设备操作、系统维护工作中给大家带来更多益处。

矿井提升机承担着人员、矿料、设备等物资运输的重任，是整个矿井系统中的核心部分，其安全可靠运行也就显得尤为重要。

PLC可靠性高，抗干扰能力强，编程简单，使用方便；控制程序可变，具有很好的柔性，功能完善；扩充方便，组合灵活，极大减少控制系统设计及施工的工作量。  

目前在矿山企业中应用的提升系统基本上都采用PLC系统作为主控系统。同时，鉴于市场上仍存在数量较多的，以Siemens（西门子）公司的S7-300系列PLC操作系统，故本次将基于S7-300PLC产品为主要案例进行介绍矿井提升机PLC控制系统。

所有PLC均通过MPI和PROFIBUS双网连接，从而保证了重要数据的同一性。

每台PLC的基本配置有：电源模块、CPU模块、接口模块、数字量I/O模块、模拟量I/O模块、功能模块以及通讯模块等。

一、S7-300硬件组成

每台PLC的基本配置有：电源模块、CPU模块、接口模块、数字量I/O模块、模拟量I/O模块、功能模块以及通讯模块等。

图1 PLC硬件组成

1、S7-300CPU信息。

图2 CPU接口图

图3  S7-1500正面  CPU信息说明

图 4 S7-1500背面  CPU信息说明

四、矿井提升常用PLC系统产品CPU功能对比

一、PLC软件介绍

STEP7软件将程序指令存放于“块”中，根据用户程序要求，可用以下几种类型的块来存放程序指令：

1）组织块（OB），它可以提供CPU操作系统与用户程序的接口。OB1执行用户程序的循环处理，其它OB块响应特定事件和中断；

2）功能块（FB），它是执行时带有即时数据的可多次调用的逻辑功能块，用户程序每次对FB调用提供新参数；

3）功能（FC），这种功能块执行时不需带有即时数据块，用户对FC的每次调用提供新的参数。由于FC块处理数据的不同方法，FC相比FB需要的CPU处理较少。

二、PLC工作流程

图5  PLC工作流程图

三、PLC组织块介绍

 1、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指令及相关模块的设置程序。该组织块仅在系统加电起动后运行一次，在以后的程序循环中不再执行。 

2、OB1为循环运行组织块，也即用户主程序部分。在OB1中可以调用其它用户功能块和系统功能块，如SFB、SFC、FB、FC等。根据结构化设计程序的原则，将能完成某些特定功能的程序事先编制成可以重复调用的FB、FC功能块形式，然后在OB1中执行相关调用。 

3、OB35为定时中断组织块，建议最小定时中断时间20ms，根据用户需要可进行任意设置。在用户中断程序中，根据各种逻辑关系和实际提升速度以及实际提升行程值，进行有关逻辑判断及数据处理，给出提升机运行速度给定信号和各种行程控制信号。 

为提高系统安全稳定性，在PLC系统结构上精心设计，采用多PLC网络控制系统，系统主要分为：1、保护PLC；2、行程PLC；3、操作PLC三部分。

 1、保护PLC主要功能有：输入信号采集、安全保护（如立即施闸类保护、报警类保护、井口施闸类保护）、开车信号处理和液压站控制等。

2、行程PLC主要功能有：位置计算、速度计算、行程类安全回路保护、自动产生提升机所需的速度给定信号（即“S”运行曲线）、变频器控制等。

3、操作PLC主要功能有：操作信号采集、操作台指示灯显示、深度指示器数据处理等。

     在安全回路设计方面，采用软件保护与硬件安全直动保护构成双线制提升机安全回路保护；操作保护PLC与行程PLC既相互独立，又互相监视，对某些故障（如超速、方向故障、编码器故障等）又起到双重保护作用。

一、保护PLC控制

1、保护PLC功能

提升机操作保护系统主要完成逻辑操作控制和故障安全保护两方面任务。

    来自提升系统各部分输入到操作保护PLC的信号主要分为以下几类：

 （1）信号系统发出的开关量信号 。

 （2）司机操作台发出的开关量信号。

 （3）从高、低压配电部分和液压制动部分及快开反馈来的接触器或行程开关辅助触点信号。

 （4）井筒开关信号 。

 （5）编码器采集信号

图6 操作保护PLC系统组成

2、操作保护PLC软件设计

根据提升机操作保护系统的功能要求，用户程序可选择OB100、OB1、OB35、FC1、FC0、FC5、 FC14 、 FC91、FC92、FC93、FC94、FC95以及DB1、DB2等软件模块构成。

（1）FC0、FC1、DB1、DB2四个子程序块用于完成计数模块的脉冲计数任务，并将相关计数值存放在DB1和DB2中，实现CPU模块与计数模块之间的数据传输。

（2）FC5子程序块用于对输入到PLC的操作信号和运行状态信号进行逻辑处理和闭锁，产生提升系统各部分的控制指令。

（3）FC91子程序块用于对输入到PLC的模拟量进行处理，模拟量包括：主电机电流、测速机速度、轴承温度、变压器温度、主电机温度、液压站油压和提升载荷。 

（4）FC92、FC93、FC94、FC95子程序块对输入到PLC的故障保护信号进行处理，FC92处理立即施闸类故障，FC93处理电气制动施闸类故障，FC94处理提升终了施闸类故障，FC95处理报警类故障。

（5）FC14子程序块用于生成PLC内部安全回路，输出立即施闸、电气制动施闸、提升终了施闸和报警以及液压站二级制动控制信号。

3、提升机双线式安全回路

提升机由机械、液压和电气三部分构成，系统复杂，为保障提升机系统安全可靠，必须采用双线制安全回路，即PLC安全回路和继电器安全回路相结合 。

图7  双线制安全回路 

4、提升机故障分类

 根据对提升系统运行的影响程度，提升机故障可划分为以下四种 :

(1)立即施闸类故障（发生此类故障时，系统能立即进行安全制动停车）

(2)提升终了施闸类故障 (发生此类故障时，允许一次提升循环结束后再停车) 

 (3)电气制动类故障 (发生此类故障时，提升机自动减速到1米/秒,再施闸停车) 

(4)报警类故障保护（发生此类故障时，仅发声光报警信号） 

5、液压制动系统PLC控制原理

液压制动系统PLC控制器主要完成以下功能：

（1）采集液压系统中压力、温度、油位等信号，对液压制动系统实施保护。

（2）为液压制动系统中的各种电磁换向阀提供控制信号。

（3）为液压制动系统中的比例闸提供控制电流或电压信号。 

图8  液压制动系统PLC控制原理

二、行程PLC设计

1、行程PLC功能的实现

将部分操作信号、部分保护信号以及设定的一些行程参数与轴编码器信号结合起来进行逻辑运算处理，自动产生提升机所需的速度给定信号(即运行曲线), 减速段行程为一固定值,通过PLC实际运算来调节减速度，从而保证了停车点不变和停车点的精度。

行程监控PLC还将轴编码器信号经软件计算后处理成罐笼在井筒中的位置和在线速度，送到操作台监视器显示,此外还产生包络曲线对提升机的的速度进行连续监视。这种以软件处理为主的行程跟踪方法在灵活性、可靠性及精度等方面都很高，只要选择分辨率较高的轴编码器，就可保证定位精度<2cm，因打滑及钢绳伸长等行程误差，可通过井筒同步开关加以校正。

提升行程控制器由PLC、两个轴编码器和井筒开关等构成。其中一个轴编码器装在提升机的驱动轮上，另一个轴编码器装在提升机的导向轮上；行程控制器所用井筒开关装在井筒中齐平位置（即井口停车位）、同步位置（减速点前4米左右）和2M/S限速位置（距齐平位8米左右）三个地方；PLC选用西门子公司的S7—300，主要模块包括：电源模块、CPU模块、DI模块、DO模块、AI模块、AO模块、计数模块FM350和通信模块CP340/CP343 等。

2、给定“S”曲线

目前提升机采用的给定方式有两种：一是给定速度为时间的函数（v = f (t) ），简称为时间给定，其给定速度图如图9所示；二是给定速度为行程的函数（v = f (s)），简称行程给定，其给定速度图如图10所示。

图9  时间给定速度图

图10   行程给定速度图

3、行程控制器功能的实现

1）自动生成S型速度曲线

提升机速度在减速段采用行程给定方式，其给定信号是由提升容器在井筒中的位置决定的，其特点是任一位置都对应一个由该行程位置产生的速度给定信号，而与时间无关。

在提升机运行于加速段时，则不应采用行程方式，一方面是因为初加速时刻，其行程值为零，则导致此时速度给定也为零，致使提升机不能开车运行；另一方面则由于在手动操作方式下，司机主令手柄也参与开车加速过程，控制提升机运行最大速度值，这时将与行程给定原则相悖。

2）故障保护功能的实现 

（1）过卷监视

（2）轴编码器监视

（3）测速机——编码器监视

（4）钢丝绳滑动监视 

（5）超速监视 

（6）停车监视

（7）给定监视

（8）方向监视

3）行程和速度的计算

图 11 行程运行画面

4）行程PLC功能分布

OB1：主程序  安全回路、工作方式判断。

OB35：定时中断子程序

OB100：初始化子程序（修改后要复位）   

FC4：变频器指令输出。

FC6：O/A模块输出处理（开车方向、给定）

FC9：编码器校正程序。FC7、FC8：编码器校正子程序。

FC10：软过卷设置（保护值）、编码器故障、测速机故障、方向故障、超速判断等。

FC20：轴编码器测行程、速度子程序

FC21：模拟量输入子程序

FC30：加速段子程序

FC32：加速段包络线

FC40：主减速段程序

FC41：减速段速度计算

FC42：减速段包络线子程序

FC51：低速运行方式子程序

FC52：过卷运行方式子程序、

FC53：检修1方式子程序

FC54：检修2方式子程序

FC56：紧急开车方式子程序

FC61：包络线子程序  调用FC32、FC42

FC64：减速点、爬行点计算

FC65：变加速度a3计算子程序

FC66：手动方式：加速段和等速段子程序

FC67：手动方式：减速段子程序

FC68：通信程序（和上位机）ＤＢ10的地址与上微机地址对应

  （本稿件由国传电气（原中矿传动）市场部整理编辑，经国传电气技术支持团队审核授权发布！）

点击关注国传电气订阅号

如有问题，欢迎技术咨询！

国传电气竭诚为您服务！

垂询电话：0516-80139798

网址：www.jsgce.com.cn

邮箱：sell@jsgce.com.cn