基于PLC和WinCC的煤矿提升机系统设计.pdf

第 l期 总第 1 7 0期 2 0 1 2年 2月 机 械 工 程 与自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEERI NG＆ AUTOMATI ON N0． 1 F e b ． 文章 编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 2 0 l 一 0 1 3 6 0 2 基于 P L C和 Wi n C C的煤矿提升机系统设计 辛 策 ，李铁鹰 ，乔屹 太原理工大 学 信息i - 程学 院．山西太原0 3 0 0 2 4 摘 要 煤矿提升机是煤矿 生产的重要设 备之 一，传统 的矿 井提 升机大 多采用转予 串电阻调速 ，由继电器 一接 触器构成控制 回路缺点是调速性 能差、能耗大 、给定方 式落后 、控制 精度 差。改造 后的 吕梁西坡煤 矿 副井 提升机采用 了基于 7 --3 0 0 P L C和 Wi n C C的控制系统。投入运 行 以来。运行平稳 安全．节 电效果 显著 极 大地提高 了煤矿 的生产效 率。 关键词 ；P L C；煤 矿提升机； 电控系统 中图分类号 T P 2 7 3； TD 5 3 4 文献 标识 码 A 0 弓 I 言 近年来 ，随着国家安全部 门监管力度的加大 ，煤 矿事故得到 了很好 的控制 。但个 别煤 矿仍 有事故 发 生 ，矿井 提 升机 作为煤 矿 生产 中的重要设 备 ，它 的安 全与否直 接影响着矿 山的高效 、安全 生产和经济运 营。另外 ，它装机容量大 ，耗电量高 ，因此节能节电 也是 一个 不 容忽 略 的问题 。 吕梁西坡煤矿副井提升机电控系统改造前采用的是 给异步电机串、切电阻调速，通过高压接触器换向来改 变电机转动方向的继电器控制的传统控制方式。这种控 制方式的缺 点 是设 备 运 行 噪声 大、维护 周 期 短 、耗 能 高、转子 电阻 占地面积大 ，并且是有级调速。笔者于 2 0 1 1 年 5 月上旬开始参与了西坡煤矿副井提升机电控系 统的设计与改造工作 。改造后的新系统采用了 P L C控制 变频器的高新技术，进一步提高了系统的可靠性和安全 性。提升机的工艺过程控制、安全保护、制动器的紧闸 和松闸及安全制动均由 P L C进行控制，速度反馈信号采 用旋转编码器和测速发电机 。安 全 回路实现 双线制 ，在 故障情况下能可靠进行二级制动或一级制动。 1电 控 系统结 构 1 ． 1 电控 系统 概述 改造后的全套电控系统包括操作台、变频柜 、电 源柜、P L C柜 、制动电阻柜 ，如图 1 所示。 本系统 以 P L C为核 心，由操 作台和上位机通过 P L C程序控 制变频器带动 电机 ，实现 电机 的正、反 转及速度调节 ；实现了提升机的软启动和软停止，使 提升机 的操作更加安全 、高效 。 变频 器 为 AB B原 装 进 口[ 1 ] ， 由 网侧 变 流器 、 中 间直流电路 、电机侧变流器、传动单元控制接 口和控 制盘组成 。P L C与变频 器采用 P r o f i b u s ～D P连 接， 当 DP通讯故障时可以及时切换到端 口控制模式。 围 1提 升 机 房 设 备 平 面 布 置 图 电源柜 为操作 台 UP S 、液压站 电机、润滑 泵电 机 、工业控制计算机等供电。 P L C控制系统安装在 P L C柜 内，由主机 、通讯 板 、高速计 数模块、模拟 量 I ／ O 板、数字 量 I ／ o板 等硬件组成 。设有两套 P L C，主 P L C进行控制 ，辅 P L C进行监 控。当任何一套发 生故障时 ，另 一套能 及时保护并发出命令使提升机实现安全制动。 1 ． 2现 场 数 据 1 提升机的基本参数如下 滚筒直径 m 3 ； 钢丝 绳直 径 ram 3 6 ； 最大 提升 速度 m／ s 3 ． 7 6 ； 井深 m 7 8 2 ． 2 。 收稿 日期 ；2 0 1 卜1 0 2 0 ；修 回 日期 2 0 1 1 1 0 2 5 作者简介 辛策 1 9 8 5 一 ， 男 ， 河北保定人 ， 在读硕士研究生 ， 主要研究方向 智能控制。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2 年 第 1 期 辛策，等 基 于 P L C和 Wi n C C的煤矿提升机 系统设计 ‘ 1 3 7 ’ 2 变频器的基本参数如下 型 号 AC S 8 0 0 0 4 0 6 1 0 7 ； 额定 电压 V 6 9 0 ； 额定功率 k W 4 0 0 ； 输 出额 定 电流 A 4 5 2 ； 基 本负 载 电流 A 4 1 1 ； 短时 电流 A 6 1 5 ； 中间回路额定电流 A 5 3 8 。 3 电机参 数 如下 额定 电压 V 6 6 0 ； 额定 电流 A 2 8 5 ． 9 ； 额定功 率 k W 4 0 0 ； 额定 转速 r ／ mi n 1 4 9 0 。 2 控 制 系统 设计 2 ． 1 硬件 组 态部 分 本系统采用了西 门子公司生产的 S I MA TI C S 7 3 0 0的 C P U 3 1 3 C - 2 D P，根据 I ／ O点数选择两块数字 量输入模块 D I o 2D C 2 4 V 和两块数字量输 出模 块 D O1 6 DC 2 4 V／ 0 ． 5 A，模 拟量 的采集 选择 模拟 量 采 集模 块 AI 8RTD，模 拟 量 输 出模 块 采 用 AO4 1 2 B i t 。P L C接 收来 自变频 器 的运 行 信 号 、井 筒 开 关 信号 、提升信号以及 闸控系统 、安全 回路 、操作 台操 作信号，按 照设计 的速度 图要求对 变频器、润 滑系 统 、制动 系统 等进行 控 制[ 2 ] 。 首先采用西 门子 3 0 0 P L C配套软件 S TE P 7进行 硬件组态。双击打开 Ha r d wa r e ，在 Hw C o n f i g中进 行 硬件 组 态 。 硬件组态如图 2所示 。 2 ． 2软件 编程 部分 2 ． 2 ． 1 S T E P 7程序部分 硬件组态完成后 ，选 中 S 7 P r o g r a m 中的 B l o c k s 双击打开进 行程序 编写。建立组 织块 OB 、 功能块 F C 、 数据块 D B 等模块进行模 块化编程。程序 的 编 写采用 一 贯 的梯 形 图编 写方 式 。 通过 S T E P 7 编程使 P L C系统实现下列具体控制 1 运行方式控制。包括 3种控制方式，分别是 半 自动控制方式、手动控制方式和手动检修运行方式。 2 速度给定与反馈 。按照设计 的速度图实现提 升机速度的闭环控制，并具有全行程的速度包络线保 护功能。在半 自动运 行状态下 ，根据提升容 器的行 程 ，按预定速度图进行速度给定与控制 。速度环的速 度反馈信号来 自提升 电动机轴上安装 的旋转编码器， 此编码器的输 出同时输入到变频器和 P L C 。 3 安全保护。对全提升行程进行包络线超速保 护、过卷保护 、自动减速等安全保护 ，关键保护点具 有二重以上独立保护 。对闸瓦磨损、弹簧疲劳 、液压 站油压 、油温进行监测与保护。 4 行程监控。安装于提升机滚筒主轴的旋转编 码器把脉冲信号送入 P L C ，P L C对提升容器的速度和 行程进行计算 ，并实现 以下功能①在操作台和显示 屏同时显示行程数值；②根据提升容器的运行方向和 位置发出减速指令；③设定按行程给出的速度 曲线； ④行程监控系统的行程值每个提升循环后 自动校正。 5 安全制动。完成矿井提升机 的安全制动。 6 自诊断功能。对系统设备本身故障和设备运行 故障进行诊断和分析，并具有故障存储和记忆功能。 D _ 吼 { 国 l { ； ● ■ l { 国 口 ； 鬻 l 瞳 P S 3 0 7 l 0 2 疆 r U 3 1 3 g 一 2“ P ∞F I B V S 1 D P_ t s t 露 瞳 2 2 殂 D I 1 8 ／ ．0 0 1 6 1l 艘薯P - 习1 ■■_ ～ -0 l 蓐 I 3 ～ ’ 一J 4 C P 3 4 3 1 5 D I 32 x Dc 2 4V 6 D I 32 x I K 2 4V ． T 加l3 2 x D 暖a W0 5 8 I 8x 矾 D 9 I 8x RT D 1 0 0 4 x l 2 B i t l、 赫i ．m i ≮ 豳 逸 螭 蕊 舔 蕊 逮 醯 髓 l 连 弛 斌 i 鞋 强矗 a ‰ | 撬 瓤|． 潮i S． ． 撬 瓤 | ． ． 豳0 氓 M o d e． ． 0 ．F ． ． ． 孙I ．Q ． ．C o m 0 l 灌 P s 3 0 7 1 0 2 卫 溷 g t U 3 1 3 g 一 2l 6 E S T ’ r z． 5 E 02 殂 i 灌 越 6l 戳 S了 l 2 4 厦 口 t ． 3 {I C P3 4 3 - 1 8 G 耵 y 1O32 5 6 2 5 6 ． ． Sl D I 3 2 x D c 2 4 V5 E S 7 4 ． ． ． 1 6ID I 3 2 n C 2 t yB E S 7 B ． ． ． 】 TID o 3 2 x D C 2 4 V ， 05 B 毫 S 7 1 2 ． ． ． 8I I 8 x R T D6 E 3 2 0 ． 9I I 8 x R T D6 E S 了 3 3 6 ． 1 0 I 0 4 x l 2 靠 i t6 E S 2 ． 2 ． 2 Wi n C C上位机画面部分 上位机画面部分采 用了西 门子公 司的组态软件 Wi n C C 。首 先在 工控 机 上安 装 Wi n C C并 打 开 软件 绘 制画面；其次 ，建立变量，如深指器限位开关、松绳 开关 、闸瓦磨损开关等开关 量及速度 、深度等模拟 量；将建立的变量连接到画面的各种元件中，为了提 高系统的可靠性 ，不仅要对提升机的各种物理量等进 行控制监控 ，还要对有关的控制单元的工作情况进行 监控 。这样 就 可 以实 现 提升 机 工 作 状 况 的动 态 监 测 ， 实现深度、速度 、压力等数据的实时显示，并对运行 数据、故障数据进行存储和记忆 。 下转第 1 4 0页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 0 机 械 工 程 与自 动 化 2 0 1 2年 第 l 期 4结论 通过对以上实验结果的比较分析 ，可以得出以下 结 论 a 常规P I l 9 b 带超前P I D 控制 图 5 常规 P I D系统和带超前 比较环节 P 1 D系统的 目标曲线响应 a 较大热容量 b 较 小热容量 图 6炉 内不 同热容量的影 响 1 本文提 出的带超前 比较环节 P I D控制能很 好地适应滞后较大的被控对象 如炉温的控制 。 M i ni t y p e Re f l o w Ov e n Te mpe r a t u r e 2 回流焊炉在设计时 ，能够在正常保温前 提 下应尽 量 减小炉 体 的热容 量 。 3 回流焊炉温度控制器应有足够强的温度控制 能力，以保证不同热容量的 P C B板的正常焊接。 C a 空载运行 b 带P c B 板运行 图 7 空载运行 和带 P C B板运行的响应 比较 参考文献 [ 1 ] 唐畅． 无铅 回流焊 接 的实施[ J ] ． 电子工 艺技 术 ． 2 0 0 6 ． 2 7 5 2 6 9 - 2 7 6 ． [ 2 3 王魁汉． 温度测 量实用技术 [ M] ． 北京 机 械工业 出版社 ， 2 00 7． [ 3 ] 褚丽丽 ． 李春茂 ， 郭汉桥 ． 等． 时滞系统 的模糊 自适应 P I D 控制研究[ J ] ． 自动化技术 与应用 ， 2 0 0 8 ， 2 7 1 3 4 3 6 ． [ 4 ] 于希宁． 自动控制原理[ M] ． 北京 中国电力出版社． 2 0 0 8 ． PI D Co n t r o l Al g o r i t h m Re s e a r c h ZHU Sh e ng -g u a ngYANG AJ l ‘ qu a n S c h o o l o f El e c t r i c a l En g i ne e r i n g，Gu a n g d o n g El e e t r o me e h a n i e a l Pr o f e s s i o n a l Te c h n o l o g y Co l l e g e，Gu a n g z h o u 5 1 0 5 1 5，Ch i n a Ab s t r a c t Th i s a r t i c l e d i s c u s s e d t h e d e v e l o p me n t o f s u r f a c e mo u n t t e c h n o l o g y S M Ta n d r e f l o w e q u i p me n t f r o m t h e p e r s p e c t i v e o f i n d u s t r i a l p r a c t i c e ，a n d b r o u g h t f o r wa r d t h e d e s i g n a n d i mp l e me n t a t i o n o f a s ma l l i n t e l l i g e n t r e f l o w o v e n t e mp e r a t u r e c o n t r o l l e r wh i c h s y n c r e t i z e d t h e me r i t s o f ma n y r e f l o w o v e n s ． Th e t e mp e r a t u r e wa s c o n t r o l l e d wi t h i mp r o v e d d i g i t a l PI D c o n t r o l a l g o r i t h m wh i c h c o u l d a me n d ma n i p u l a t e d v a r i a b l e a h e a d ，s h o r t e n a d j u s t me n t t i me ，a c h i e v i n g a n a c c u r a t e e f f e c t o f t e mp e r a t u r e c o n t r o 1 ．Th e t e mp e r a t u r e c u r v e d r e w b y c o n t r o l l e r c o u l d b e u s e d t O r e s e a r c h S M T t e c h n o l o g y a n d s o l d e r a s s e s s me n t ． Ke y wo r d s r e f l o w o v e n ；t e m p e r a t u r e c o n t r o l ；P I D；P W M 一一一⋯一， ～一、～～一⋯⋯一～ ⋯⋯一 上接 第 1 3 7页 3 小结 通过对已改造的西坡煤矿副井提升机设备的运行 监视发现，采用 P L C和 变频器相结 合 的控 制方法 ， 不但提高了提升机操作的精准性，而且在一定程度上 降低 了司机的操作难度，还大大降低 了电能的损耗。 采用 P L C控制 ，克服 了原继 电器控 制 系统 的不足 ， 系统安全 可靠 ，且控制 程序可根据临 时需要进行修 改，大大提高了控制技术水平。变频调速系统以其优 良的控制性能 、便捷 的操作控制、超高的运行效率逐 渐成为矿用提升机传动的发展方向。 参考文献 [ 1 ] 周建荣 ． 平 静． AB B矿井提升机控制 系统 及应用 [ J ] ． 工程 设计 C AD及 自动 化 。 1 9 9 5 I 4 0 4 1 ． [ 2 ] 黄仰金． 矿山副井 提升 机计 算机控 制 系统 的设计 及应 用 [ D ] ． 长沙 中南大学 ， 2 0 0 4 2 3 2 4 ． De s i g n o f M i n e Ho i s t S y s t e m Ba s e d o n PLC a nd W i nCC XI N Ce 。LI T i e - y i n g ．QI AO Yi Co l l e g e o f I n f o r ma t i o n En gi n e e r i n g，Ta i y u a n Un i v e r s i t y o f Te c hn o l o gy，Ta i yu a n 0 3 0 0 2 4，Ch i n a Ab s t r a c t Th e mi n e h o i s t i s t h e mo s t i mp o r t a n t e q u i p me n t i n c o a l p r o d u c t i o n ．Th e t r a d i t i o n a l mi n e h o i s t s ma i n l y r e g u l a t e s p e e d b y s e r i e s r e s i s t o r i n r o t o r a n d c h i p r e s i s t o r s ．c o n s t r u c t c o n t r o l c i r c u i t b y r e l a y s a n d c o n t a c t o r s ． Th e s h o r t c o mi n g s a r e a s f o l l o ws b a d s p e e d a d j u s t i n g p e r f o r ma n c e 。mu c h e n e r g y wa s t e ．o l d s e t t i n g wa y 。p o o r c o n t r o l p r e c i s i o n ．S i n c e r e c o n s t r u c t i o n t h e h o i s t i n Lv Li a n g Xi p o Mi n e wh i c h a d o p t s S 7 3 0 0 PL C a n d Wi n CC，h a s r u n s t e a d i l y a n d s a f e l y wi t h e f f i c i e n t e l e c t r i c a l e f f e c t s ，a n d t h e e f f i c i e n c y o f mi n e pr odu c t i on ha s be e n gr e a t l y i mp r ove d． Ke y wo r d s P L C；c o a l mi n e h o i s t ；e l e e t r i c a l c o n t r o l s y s t e m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m