基于分布式架构的矿井提升机PLC过程控制系统设计.pdf

2 0 1 4年第 1 期 煤矿机 电 5 基于分布式架构的矿井提升机 P L C 过程控制系统设计 范狄庆 上海工程技术大学 机械工程学院 上海 2 0 1 6 0 0 摘 要 为改善矿井提升系统的性能 提高其运行可靠性和效率 设计 了一种基于 D C S架构的分 布式 P L C过程控制系统 着重介绍 了分布式矿井提升机 P L C过程控制系统的控制流程 软件结构 和功能特点 该 系统经工程实践运行表明 可有效改善矿井提升机的运行性能和工作效率 对提高 矿井提升机 电控 系统的技术水平具有现实意义 关键词 矿井提升机 可编程控制器 P L C 分布式控制系统 D C S 过程控制 中图分类号 T D 5 3 4 T P 2 7 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 0 8 7 4 2 0 1 4 0 1 0 0 0 5 0 4 De s i g n o f PL C P r o c e s s Co n t r o l Sy s t e m Ba s e d o n Di s t r i b u t ed Ar c h it e c t u r e Us e d i n Mi n e Hoi s t Fan Di q i n g S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g S h a n g h a i U n i v e r s i t y o f E n g i n e e r i n g S c i e n c e S h a n g h a i 2 0 1 6 2 0 C h i n a Ab st r ac t I n o r de r t o i mp r o v e t h e p e rfo r ma n c e o f mi ne h o i s t s y s t e m i mpr o v e s t h e o p e r a t i o n r e l i a b i l i t y a n d e ffic i e n c y d e s i g n s t h e p r o c e s s c o n t r o l s y s t e m w i t h P L C b a s e d o n d i s t ri b u t e d c o n t r o l s y s t e m D C S I n t r o d u c e s t h e c o n t r o l f l o w s o f t wa r e s t r u c t u r e a n d f un c t i o n f e a t u r e s o f DCS mi n e h o i s t c o n t r o l s y s t e m wi t h PLC i n d e t a i l s Th e r e s u l t o f p r a c t i c e s ho ws t h a t t hi s c o n t r o l s y s t e m o f DCS s t ruc t u r e wi t h P LC n o t o nl y ha v e p e rfe c t c o n t r o l f u n c t i o ns b u t a l s o k e e p a w e l l r u n n i n g p e rf o r ma n c e S o t h a t i t c a n b o o s t t h e r e f o r m o f mi n e h o i s t a n d ma k e p r o g r e s s o n t h e e l e c t r i c c o n t r o l i n o u r c o u n t r y K e y w o r d s m i n e h o i s t p r o g r a mm a b l e l o g i c a l c o n t r o l l e r P L C d i s t ri b u t e d c o n t r o l s y s t e m D C S p r o c e s s c o n t r o 1 0 引言 矿井提升机的电控 系统 中 P L C作为过程控制 系统是实现其 自动化控制 的核心 它综合 了全数字 传动系统 上位机监控系统 信号系统 继电回路 液 压制动系统及其它各种相关设备 的信号和数据 通 过用户编制的程序对上述信号和数据的处理 使提 升机罐笼运行 实现全数字行程控制 和 S型运行 曲 线 并从软件上对各种信号实现多重联锁 和安全保 护 J 不仅对整个提升机 系统进行 实时监控 保证 了整个系统可靠 的安全运行 而且大大提高了其工 作效率 为了大幅改善矿井提升系统 的性 能 提高其运 行可靠性和效率 以现代控制技术 计算机技术和通 信技术的发展为基础 运用分布式控制系统 D C S 的方法设计 了一种技术先进 运行高效 安全可靠的 矿井提升机 电控系统 该系统在结构和功能上以简 单 实用为主 即以传动系统和其他现场仪表 执行 器作为最底层的现场仪表层 现场执行层 以P L C 作为现场控制站 即 P L C过程控制 系统为装置控制 层 将操作员站和工程师站二者合二为一于上位机 的计算机监控系统 并形成 了最上层的系统监控管 理 层 6 煤矿机 电 2 0 1 4年第 1 期 1 提升机 P LC系统的模式 1 1 工作模式 提升机系统 的工作模式分正 常 简易和应急运 行三种 在正常工作模式下 根据提升种类的不同 又可分为提人 提物 下长材 特运 和验绳 检修 四种提升方式 系统能执行所有的运行 控制和检测 功能 在 简易模 式下 系统 P L C不工作 只有 传动 P L C工作 此时系统运行最高速度被限定在 3 m s 系统的部分运行和监控功能丧失 但仍能执行 简单 的提升任务和重要 的监控功能 实现全数字行程控 制 应急运行模式只适用 P L C过程控制系统故障时 或紧急情况下罐笼的一次提升 它 由外部应 急开关 进行控制 1 2 运行模式 运行模式有分手动和 自动模式两种 手动模式 时 由司机通过速度手柄给定系统的给定速度 在允 许开机条件下 提升机 的启动 运行 加速 减速 中 其速度控制 最大限定速度仍 由 P L C锁定 停机及 闸手柄液压制动控制完全由司机根据现场要求和经 验手动控制 一般用于 P L C系统故障成特殊运行要 求的情况 其相应的基本安全监控功能仍由系统 自 动实现 自动模式时 在提升机允许开机时 司机根 据信号系统发出开机信号 其 P L C控制系统 自动判 别方 向 开机 加速 行程计算 减速 爬行 液压制动 和停机 实现全数字行程控制 并监控整个提升机的 运行状况 进行故障 自诊断和相应处理 1 3驱动模式 全数字传动系统对电动机的驱动方式分 1 2 P 桥并全载 6 P桥 1半载和桥 2半载三种方式 主要 以满足系统运行大冗余量的需求 P L C控制系统也 相应有全桥 桥 1 半载和桥 2半载三种驱动模式 主 要是控制提升机在相应状态下的工作 2 P L C过程控制系统硬件组成 本过程控制系统 由一 台 s 7 3 0 0传动 P L C和一 台 S 7 3 0 0系统 P L C按主站 从站方式组成 两者通 过 P R O F I B U S D P总线进行通信连接 其配置如表 1 所示 表 1 传 动 P L C和 系统 P L C硬件配置 传动 P L C 系统 P L C 模块名称 型号 数量 模块名称 型号 数量 1 电源负载模块P S 3 0 7 5 A 1 1 电源 负载模块P S 3 0 7 5 A 1 2 C P U模块 C P U3 1 5 2 D P 1 2 C P U模块 C P U 3 1 5 2 DP 1 3 高速计数模块 F M 3 5 0 1 1 3 高速计 数模块 F M 3 5 0 1 1 4 数字量输入模块 s M3 2 1 1 4 数字量输入模块 s M3 21 3 DI 3 2 DC 2 4 V DI 3 2 DC2 4 V 5 数字量输 出模块 s M3 2 2 2 5 数字量输出模块 s M3 2 2 3 D03 2 DC 2 4 V 0 5 A D03 2 DC 2 4 V 0 5 A 6 模拟量输人模块 s M3 3 1 1 AI 8 1 2 b i t 7 模拟量输 出模块 s M3 3 2 1 A04 1 2 b i t 其中 C P U 3 1 5 2 D P具有 大中规模 的程序容量 有两个 P R O F I B U S D P主站 从 站接 口 可以用于建 立分布式 I 0结构和大规模的 I 0配置 F M 3 5 0 1 高速计数模块是智 能化 的单通道计数模块 可以检 测最高达 5 0 0 k H z的脉冲 有连续 单向 循环计数 3 种工作模式 主要作用是对脉冲编码器输出的脉冲 信号计数 作为对罐笼的行程及位置进行控制 的依 据 传动 P L C共有3 2 个 D I 点 6 4个D O点以及 8 个 A I 点 4个 A O点 系统 P L C共有 9 6个 D I 点和 9 6 个 D O点 在正常工作模式下 系统的控 制功能 主 要由系统 P L C承担 传动 P L C只接受来 自系统 P L C 的控制指令执行对传动系统 的控制 同时作为控制 系统冗余备份 当系统 P L C出现故障时 系统进入 简易工作模式 此时由传动 P L C独立执行简易控制 功能 从而实现整个系统强大的冗余能力和极高可 靠性 2 0 1 4年第 1 期 煤矿机 电 7 2 1 传动 P L C 主站 传动 P L C通过 P R O F I B U S D P总线 连接直接控 制传 动系统 的运行 通过 MP I Mu l t i p l e P o i n t I n t e r f a c e 与上 位机 通信 在正 常的工 作模式 下 通过 P R O F I B U S D P总线与 系统 P L C通信 传 动 P L C接 受来 自系统 P L C速度 给定 操作指令 并据此控制 传动系统的工作 同时将传动 系统的高压 快开 阻 容吸收等状态信号和实际速度传给系统 P L C 系统 的控制和监视功能主要系统 P L C承担 当简易工作 模式 系统 P L C故障 系统的过程控制功能由传动 P L C独立承担 此时 罐笼的最高允许速度被 限定 在 3 m s 速度曲线计算和行程控制也由传动 P L C 完成 提升机可完成简单 的提升任务 2 2系统 P L C 在正常工作模式下运行 时 系统 P L C通过 MP I 和 P R O F I B U S D P总线分别与上位机和传动 P L C进 行通信和数据交换 并根据不 同的提升种类和运行 要求选择相应的运行方式 给出 s形速度曲线 对提 升机罐笼运行实行全数字行程控制 同时对提升机 各设备状态进行监控 自行诊断各类故障并做出相 应处理措施 3控制程序设计 P L C过程系统 的程 序软件 由系统 P L C程序和 传动 P L C程序两大部分组成 具体 的程序流程分 析叙述如下 3 1 参数初始化 首先初始化系统参数 启动 F M 3 5 0 1高速计 数模块 接收脉冲编码器的速度 行程计数值 3 2 故障复位和状态指示 传动 P L C主要指示操作台上显示的各类信号 包括快开 高压 闸手柄位置 上 下行 运行状态指 示 简易运行 开机 紧停等控制和磁场 电动机 电枢 电流 速度大小指示 脉 冲编码器状态监视 井筒开 关监视 系统 P L C对各类设备故障和状态进行声光 指示 对运行状态 包括速度种类 提升种类 驱动模 式 减速状态等 的声光指示 3 3 罐笼深度指示 系统 P L C是 以直线 式 以发光 两极管模 拟井 筒 传动 P L C是以数字方式显示当前罐笼的实际 深度 3 4 通信方式 主要包括传动 P L C和系统 P L C之间 P L C控制 系统和传动系统之间 以及 P L C控制系统和 MM I 之 问的通信 3 5 系统 P L C速度选择 包括 速度判断 最终速度选择 它 由系统 P L C 执行 速度判断分残余距离 提升种类 速度开关选 择和井筒开关判速 最终速度种类选择通过 比较上 述各种方式判速得 到的最大 限速 取最小值作为最 终的运行速度的最大限速 3 6 传动 P L C开机方 向和速度给定 1 开机方 向 正常工作模 式时 由系统 P L C给 定方向信号来判断上 下行 简易工作模式时由速度 手柄信号判别上 下行方 向 2 速度给定 在 自动运行模式下 正常工作模 式时由系统 P L C给定 s形速度 简易工作模式时由 传动 P L C给定 s形速度 在手动模式 由速度手柄 给定 3 7 系统检查 包括 电源系统 辅助系统 传动系统 闸系统 错 向 超速等检查保护 检查到故障时指示相应故障类 别 3 8 总故障处理 传动 P L C和系统 P L C分别对各 自的各类故障 根据故障特点做 出紧急停机 事故停机或一次提升 对故障进行处理 3 9 S形速度 曲线 由传动 P L C和系统 P L C各 自独立计算运行 其 中前者又作为后者的冗余热备 以适应简易工作模 式 3 1 0 全数字行程控制 实际上包含于程序的所有过程 系统 P L C和传 动 P L C各 自独立执行 相互监控 主要包括测速 测 距及速度校正 速度 位置监测和深度动态显示 3 1 1 安全回路 综合磁场 传动系统 紧停信号 事故信号确定 是否允许运行 3 1 2 减速控制 在不同的速度种类或实际运行速度条件下 设 定规定提升机罐笼行程的相应残余距离的减速点 或 由井筒开关设定减速点 3 1 3 停机控制 提升机罐笼停机点主要根据提升种类确定 停 机点 1为提物 2为提人 简易运行时 提升机罐笼 实际深度 5 m时 由传动 P L C设定软件停机点 给 8 煤矿机 电 2 0 1 4年第 1 期 定速度为零或故障产生紧停或事故停机信号 也给 出总停机标志 图 1是根据上述流程分析设计 的 P L C软件程 序流程图 依此编程实现 P L C过程控制功能 上 电初始化 启动 循环执行程序 启动高速计数模块 统故障复位 设备状态 直线深度指示 井筒开关监视 故障音响控制 与传动 系统 P L C和 MMI 通信 l 垄 垦 望 堡I I 一 各类情况速度判断 一 匡 l 系 统检 查 I I J 匝鲴 荔 故 障 故 障 传动系统检查 磁场系统检查 闸系统检查 错 向 过速保护 总故障处理 二二 二 s 形速度曲线生成 T 一 雁 安全回路 1 减速控制 广 停机控制 图 1 提升机 P L C控制程序流程图 4 P L C系统功能 任何控制系统功能的实现过程其实质也就是系 统对信息的处理过程 图 2所示的 P L C过程控制系 统图正显示了这一处理过程 即通过对 现场 和提升 机设备信号的处理 P L C系统输出相应的控制信号 以实现其控制功能 高低压供 电系统状态信息 司机台输入信息 提升机设备状态输入信息 液压闸系统输入信息 车场输入信息 司机台 水平操作台输出信息 P L C 过 程 控l P R o F I B u s D P 传 动系 统 c匾 传 动 P L c I 液 压 闸 系 统 输 出 兰 里 呈 传动及远程 I O 上 下井 口信号操作台 图 2 P L C过程控制 系统 图 4 1 逻辑控制和安全保护功能 按照操作工艺要求及 系统状态 实现主令操作 控制的软接线网络 实现上下井 口操作 台之间的信 息传递 操作联锁 产生给全数字 调速系统 的统命 令 4 2 理想 s形 曲线速度曲线给定 根据运行种类 操作方式产生传动系统所需 的 速度曲线 实现提升机罐笼运行 的理想 S形速度 曲