矿用提升机运行监控系统设计与应用研究

杨晋华

（霍州煤电集团，山西 霍州 031400）

矿井提升机是煤炭运输的关键设备，由于煤矿提升机不仅工作环境恶劣，而且昼夜工作，工作繁重，资源消耗中电能消耗量巨大[1-2]。相关研究表明，目前多数煤矿提升机主控系统采用的是单个PLC控制，其中大部分的提升机调速采用传统的转子回路串电阻方法完成，同样存在长期运行能耗的问题[3-5]。矿井提升机运行时，常出现PLC故障，出现停机修理的情况，影响煤炭企业的产量和效率[6]。因此，针对目前矿井提升机控制系统单PLC可靠性不高的问题，开展冗余PLC全自动运行监控系统，对于提高矿井提升机的控制安全性和可靠性以及提高煤炭企业的产能和效率具有重要意义。

根据矿井提升机冗余PLC控制系统设计要求，基于其原有的控制系统，完成了总体方案的设计，如图1所示。由图1可以看出，矿井提升机监控系统涉及冗余PLC控制系统、上位机、触摸屏、变频器、转子回路串电阻等。该监控系统的突出特点是增加了冗余PLC，从根本上避免了单PLC故障导致提升机停止工作的情况的出现。系统运行时一旦出现主控PLC出现故障，系统自动切换至另一个备用PLC，直接接入主控PLC控制系统，实时采集矿井提升机的运行参数数据，进行数据的逻辑处理和分析，之后传输至上位机进行实时显示，供监控人员及时获取矿井提升机运行状态数据。

图1 控制系统总体方案

2.1 PLC内部主体与外部设备连接

冗余PLC控制系统中的两个PLC之间采用PROFIBUS通讯协议进行通讯，PLC与上位机之间的通讯采用MPI通讯协议完成，主PLC和副PLC及其它外设之间的连接关系框图如图2所示。由图2可以看出，采集得到的井筒开关、电流传感器、油压传感器、编码器等信号经I/AI输入口进入输入状态寄存器，CPU读取状态寄存器中的信息进行分析处理，保存运算结果并传输至输出状态寄存器，经O/AO输出口输出控制参数，控制变频器进行调速控制，实现提升机运行速度的调整。PLC内部自带DP/MPI接口，支持RS485及PC/PPI电缆连接副PLC和上位机，实现PROFIBUS和MPI通信来实时监控提升机的运行状况。

2.2 关键硬件选型

图2 PLC内部主体与外部设备连接

控制系统选择型号为PS407电源模块，供电电源为220 V、50 Hz，持续输出24 V直流电压，为控制系统供电；
控制器选择型号为S7-400的PLC，其内部配置CPU412-2D中央处理器，在计数、测频和PID控制方面具有明显优势，具有两个DP接口，能够用作主控PLC和副PLC之间的数据通信；
信号模块选择西门子旗下的SM4XX，数字量I/O模块选择SM421/SM422，模拟量I/O模块选择SM431/SM432；
通讯模块选择西门子旗下的CP443-1，是工业以太网连接装置，实现主PLC与副PLC及其他外设之间的通讯；
高速计数模块选择西门子旗下的FM450-1，具备智能计数功能，配置有两个计数器，计数能力较为突出。变频器选用的是西门子旗下的6SE70型变频器。

2.3 安全回路设计

为了提高安全回路工作的可靠性，设计了双回路模式，一路使用继电器进行安全回路设计，另一路使用PLC程序编写安全回路。继电器安全回路原理如图3所示，系统运行时一旦出现故障信息，故障继电保护器就会动作，继电器线圈得电，其-K435触点由闭合转变成断开状态，解除提升机运行指令并控制制动油泵和变频器，安全阀断开，紧急施闸并制动。

图3 安全回路

3.1 主程序设计

根据提升机冗余PLC监控系统设计要求及提升机实际情况，完成了系统主程序的设计，如图4所示。由图4可以看出，监控系统启动之后首先进行系统初始化，之后依次完成系统自检、主PLC与副PLC之间的通讯、故障诊断与报警、节能运行控制、模拟量/数字量信号的处理、提升机启停与控制等工作。基于提升机监测系统主程序，建立硬件组态，具体步骤如下：单击CPU 412-2DP内的下来菜单，双击S7 Program之后右侧就会显示出Sources、Blocks和Symbols。通过单击Blocks可以完成系统FC模块、FB模块等的程序编写，系统建立完成的模块如图4所示涉及固定数值的传送、监控系统的自检、系统初始化处理、模拟量分析处理、安全回路控制、故障处理、节能控制等。通过系统通信可以完成上述模块输出数据的上传和下达，实现提升机的实时监测和远程控制功能。

3.2 节能运行控制子程序设计

图4 主程序流程图

节能控制模块作为监测系统设计的一个出发点，结合提升机实际工作情况，采用了S行程控制算法，形成基于时间的S速度曲线控制提升机的运行速度。提升机运行时，计算机能够自动构建提升机单次提升过程的能耗优化函数，确定梯形速度曲线的运行时间周期，系统自动分析S速度曲线运行周期和梯形速度曲线运行周期，若二者时间相等，说明其能耗一样，若S速度曲线运行周期大于梯形速度曲线运行周期，说明提升机处于节能状态，反之，说明提升机处于耗能状态，需要系统发出调控指令，控制提升机驱动电机的转子回路串电阻进行调速。

3.3 人机交互界面

人机交互界面作为矿用提升机监控系统的重要组成部分之一，运行过程中既能够实时显示提升机运行状态参数数值，还能够供监控人员设置提升机参数指令，实现矿井提升机的远程控制。监控系统的人机交互界面中的主界面中给出了提升机的动态运行过程，伴随着提升机的升降而运动；
设置了井筒开关状态、安全回路、停车回路、闭锁回路等状态显示，同时，还实时显示油压、速度、启停等信号；
主界面最底下设置了界面切换功能，可以到其他界面进行其他回路的监控。

为了验证矿用提升机运行监控系统设计的合理性，将其应用于某煤炭企业服役中的提升机中进行试运行，对其进行为期6个月的跟踪记录。结果表明，监控系统运行稳定可靠，实现了主副PLC协同控制提升机的目的。统计结果显示，冗余PLC控制系统的投入使用，提高了提升机近15%的有效工作时间，节约了近4%的电能消耗，故障概率得到了降低，减少了1～2名运维人员，为煤炭企业节省了能源资源，降低了煤炭生产成本，预计为煤炭企业新增经济效益近60万元/年，取得了很好的应用效果。