基于PROFIBUS的提升机网络化电控系统的应用.pdf

2 0 0 5年第3期煤矿机电 5 1 基于P R O F I B U S 的提升机网络化电控系统的应用 栗伟， 杨公训 中国矿业大学 机电学院， 江苏 徐州2 2 1 0 0 8 摘要 本文基于P R O F I B U S 现场总线， 提出对提升机电控系统进行网络化的设计和研究， 着重 分析了系统软件结构。系统经灵活配置， 在煤矿使用中 取得良 好的效果。 关键词 现场总线; P R O F I B U S ; 提升机电 控系统 中图分类号 T D 5 3 4 ; T P 3 1 6 . 8文献标识码 B文章编号 1 0 0 1 - 0 8 7 4 2 0 0 5 0 3 - 0 0 5 1 - 0 3 T h e A p p l ic a t io n o f E le c t r ic C o n t r o l N e t w o r k o f H o is t B a s e d o n P R O F I B U S L I W e i ， Y A N G G o n g - x u n C o l l e g e o f M e c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g , C h i n a U n i v e r s i t y o f M i n i n g a n d T e c h n o l o g y ， X u z h o u 2 2 1 0 0 8 ， C h i n a A b s t r a c t T h e p a p e r i n t r o d u c e s t h e d e s i g n a n d r e s e a r c h o f n e t w o r k e l e c t r i c c o n t r o l s y s t e m o f h o i s t b a s e d o n P R O F I B U S f i e l d - b u s ， e m p h a t i c a l l y a n a l y z e s i t s s o f t w a r e s t r u c t u r e . A g o o d r e s u l t i s a c h i e v e d a f t e r u s i n g t h e s y s t e m i n c o a l m i n e b y fl e x i b l e c o n f i g u r a t i o n . K e y w o r d s f i e l d - b u s ; P R O F I B U S ; e l e c t r i c c o n t r o l s y s t e m o f h o i s t 1 P R O F I B U S简述 提升机电控系统在矿井生产中占重要的地位， 随着我国煤炭矿山事业的发展， 要求矿井提升机电 控系统具备可靠性安全性等高效优异技术特性。目 前国产提升机电控系统 工艺控制， 行程控制， 制动 控制， 传动控制， 系统监控保护等 各组成部分之 间， 以及与上位机之间大多采用一对一的信号联络， 需要大量的控制电缆， 不适应矿井工作环境， 其传输 的信息量小， 维护量大， 难以实现自 动化控制。 P R O F I B U S P r o c e s s F i e l d b u s 是一种国际性的、 开放的、 己在世界范围内得到广泛应用的现场总线。 其中P R O F I B U S 一 D P 是一种经过优化的高速通信 连接， 专为自 动控制系统和分散1/ 0设备之间通信 设计， 用于分布式控制系统的高速数据传输， 其传输 速率可达1 2 M b i t/ s ， 一般构成单主站系统; P R O F I - B U S 一 F M S 主要解决车间级通用性通信任务， 提供 大量的通信服务， 完成中等速度的循环和非循环通 .预报值 实验值 经网络预报变压器油中微水含量具有较高的预报精 度。该模糊神经网络作为一种新的在线预报变压器 油中 微水含量的方法， 在数值预报方面显示了很大 优势。 参考文献 [ 1 ] 邓敏. 变压器在线监测技术的新突破【 J ] . 电网技术， 2 0 0 1 [ 2 ] 王士同. 神经模糊系统及其应用〔 M] . 北京 北京航空航天大 学出版社， 1 9 9 8 作 者 简介 戴铁军 1 9 6 4 一 ， 男， 副 教 授。 现主 要从事计算 机辅助 设计、 节能和生态领域的教学和研究工作。 收稿日 期 2 0 0 4 一 1 1 一 巧; 责任编辑 姚克 ‘Jn︸咬JCUll户 ，、︼，、，山气‘，1 ︵日白乃酬扣节彭 卜 一一 一， 一一 1尸 一一 月卜 一一 - . . 占 -一，. ‘- . 一 日 ‘ 2 4 6 实验点 图3 实验值与预报值比较 煤矿机电2 0 0 5年第3期 信任务， 用于纺织工业、 楼宇自 动化、 电气传动、 传感 器和执行器、 可编程序控制器、 低压开关设备等一般 自 动化控制; P R O F I B U S - P A专为过程自 动化设计， 提供标准的本质安全传输技术， 用于对安全性要求 较高的 场合及有总线供电的 站点。 F M S 和D P 一般 可混合使用。 P R O F I B U S 定义了串行现场总线系统的技术特 征。串行现场总线可以从现场级到单元级使分散的 数字可编 程的 控制器形成网络。 P R O F I B U S 是一个 多主站系统， 它允许若干个带各自 分散外设的自 动 化系统、 工程系统或可视化系统在一条总线上联合 运行。P R O F I B U S系统中的设备类型可分为主站 控制器， 操作面板等 和从站 外围设备 。 P R O F I B U S 协议的结构是根据 O S I O p e n S y s - t e m I n t e r c o n n e c t i o n 参考模型 I S 0 7 4 9 8 制定的， 由 定义的物理层， 数据链路层和应用层组成， 其他层未 定义。 由于单一的现场总线传输技术不可能满足所有 的要求， 因此P R O F I B U S 采用三种传输技术 R S - 4 8 5 传输技术、 I E C 1 1 5 8 一传输技术、 光纤 F O 传输技 术。 P R O F I B U S 通信行规采用统一的总线存取协 议， 此协议由I S O参考模型的第二层来实现。它还 包括数据的可靠性， 传输协议和报文处理等。在 P R O F I B U S 中， 第二层称为现场总线数据链路层。 离直接引人到P L C中， P L C 将其处理后分别进行操 作、 控制、 显示、 制动、 故障和报警， 送监视器显示故 障类型并控制声光报警系统报警并施闸。系统的安 全回路有2 套 一套为工艺控制双P L C ; 另一套为继 电器直动回路。系统的主要保护有过卷、 等速段超 速、 减速段超速、 全程过速、 同步超限、 装卸载故障、 紧急停车等。状态的主要保护有电机超温保护、 主 回 路1 和主回 路2 故障、 高压柜故障跳闸、 变压器故 障跳闸、 快开跳闸、 紧急停车、 励磁故障、 操作程序故 障、 闸盘偏摆和磨损、 液压系统故障、 低压电源系统 故障、 风机辅助系统故障、 计算机系统故障、 钢丝绳 打滑、 尾绳故障等。 研 华 工 控 机 1 RS 4 8 5 u n t o 1 2 MBi t / s P ROF I BUS - F M S 双S 7 - 3 0 0 P L C 工艺制动控制 S 7 - 3 0 0 行程控制 P ROF I BUS - DPP ROF I B US - DP 操作台I 低压柜1 } 交流柜川交流柜2 S i e me n s ET 2 0 0 低压柜 S i e me n s E T 2 0 0 图1 提升机电控系统网络结构 2 系统硬件结构 数字化直流调速提升机电控系统由P R O F I - B U S -F M S 和P R O F I B U S -D P 现场总线网络结构化 组成。其主要部分包括 上位机为研华工控机; 行程 控制部分S 7 -3 0 0 ; 工艺制动控制部分采用冗余结 构 双P L C S 7 -3 0 0 ; A B B公司 D C R 6 0 0全数字化 直流传动控制装置作为传动控制部分; 继电器直动 安全回路; 人机界面等。此外， 还有高压配电系统、 变压器、 电抗器、 直流快速断路器和测速环节等。整 个电控系统由2 条P R O F I B U S 工业总线构成， 实现 各个子系统的实时数据交换和控制。具体的系统配 置见于图t o 1 全数字化的控制系统 双S 7 - 3 0 0 P L C 工艺制动控制主要功能是执行操 作程序， 实现各种故障保护及闭锁。每个P L C有自 己独立的测量、 传感装置和数据处理系统， 并同步工 作， 互相检测监视。来自系统各部分的信号经过隔 S 7 - 3 0 0 行程控制功能是把轴编码器和井筒开 关配合完成行程监控。这种以软件处理为主的行程 跟踪方法的灵活性、 可靠性及精度都很高， 只要选择 分辨率较高的轴编码器， 就可保证定位误差 2 c m o 因打滑及钢绳伸长等引起的行程误差， 可通过井筒 同步开关加以校正。此外， P L C 还将部分操作信号、 轴编码器信号、 部分保护信号以及一些设定的行程 参数结合起来进行逻辑运算处理， 自 动产生提升机 所需的速度控制信号。为了尽量减少启动、 制动过 程中的机械冲击， 提高提升机控制精度， 速度控制信 号的加速、 减速段为“ S “ 型曲线， 通过P L C运算来调 节减速度以保证减速段行程为固定值， 从而保证停 车点的精度。 系统提供友好的人机界面， 通过指示灯、 显示仪 表及监视器及时了解提升机的运行状态及运行参 数， 打印机用于记录所有的故障信号及打印生产报 表等。工作人员能及时从监视器上了解到故障类型 及故障位置， 及时通知维修人员排除故障， 从而可缩 短故障时间， 提高生产效率。 2 系统接口 整个网络有上位机研华工控机、 双P L C 工艺控 制S 7 -3 0 0 P L C 、 行程控制S 7 -3 0 0 P L C 3 个主站， 其 2 0 0 5 年第3 期煤矿机电 中研华工控机通过现场总线接口卡 C P 5 6 1 1 使工控 机与现场总线相连。这样工业 P C机与现场总线网 段就连接为能完成组态、 运行、 操作等功能的完整的 控制网络系统。采用P R O F I B U S -F M S 总线构成车 间级网络。 分站主要由D C R 6 0 0 全数字化直流传动控制装 置、 操作台、 低压柜、 交流柜、 现场分散的v o 、 传感 器、 变送器、 驱动阀门等， 采用P R O F I B U S -D P总线 构成现场级网络。系统采用 M O O通讯模块与 P R O F I B U S - D P相连接。E T 2 0 0充分利用了S I M A T - I C S 7 - 3 0 0的模块系列， 将所有的S 7 - 3 0 01 / 0模块通 过接口 模板I M 1 5 3 与现场总线相连。v 0模块下的 执行器和传感器连接到现场设备， v o模块按主/ 从 模式向现场设备提供输出数据并向主站馈送输人数 据。 整个电控系统采用了P R O F I B U S 网络总线协议 实现各个子系统的实时数据交换， 其实时性达到了 毫秒级。上位机利用F I X软件和P R O F I B U S 工业总 线协议， 对工艺控制 主控 系统 S 7 -3 0 0 和行程控 制系统S 7 -3 0 0 实施数据采集， 生成实时数据库， 并 完成信息的显示输出和故障的智能判断。P R O F I - B U S - F M S 总线可以通过总线桥与以太网相连， 使得 整个矿井生产实现监控系统无缝连接成为可能， 符 合未来煤炭安全生产的发展方向。 1 数据流程 F I X运用v 0驱动程序从设备中读写数据， 每 个 v o驱动程序支持其特定硬件。对于本系统的 P R O F I B U S 网络， 采用M P I 驱动程序获取数据。F I X 组态软件首先通过 M P I 驱动程序软件接口从现场 的过程硬件中获取数据， 存人 D I T驱动程序映象表 中 驱动程序映象表在系统运行时实际上是一块内 存区 ， F I X的内部数据库 P D B 通过 S A C程序从 D I T 表中获取所需的数据， 应用软件 如F I X的画面 运行程序、 报表生成程序等 都通过内部数据库访 问软件从F I X内 部数据库中获取来自 过程硬件的信 息。这样就可以在工业流程画面上实现动态显示现 场各过程硬件的运行状态， 数据也可以按相反的顺 序写回现场过程硬件， 执行控制操作。相应的数据 采集流程如图2 所示。 I F I X 应 用 程 序 1 3 系统软件结构 系统采用 S I M A T I C S 7 - 3 0 0的配套编程工具 S T E P 7 完成硬件组态、 参数设置、 P L C程序编制、 测 试、 调试和文档处理。用户程序通常由组织块 0 B 、 功能块 F B , F C 和数据块 D B 构成。其中 O B 是系统操作程序与应用程序在各种条件下的接 口 界面， 用于控制程序的运行; F B , F C是用户子程 序; D B 是用户定义的用于存取数据的存储区， 本系 统中它是上位机监控软件与 S T E P 程序的数据接 口 点。在M P I 中配置与其相对应的D B 块就可实现 上位机监控软件F I X与S T E P 程序的数据接口。 系统采用F I X工控组态软件作为上位机监控软 件， 它集控制技术、 人机界面技术、 图形技术、 数据库 技术、 网络技术于一身， 包含动态显示、 报警、 趋势控 制策略、 控制网络通信等组件， 提供一个友好的用户 界面， 使用户可根据实际生产需要生成相应的应用 软件。 与P R O F I B U S 现场总线的接口 2 M P I 配置 M P I 驱动程序的应用中很重要的问题是 S T E P 7 和F I X的地址转换问题， 需要在 M P I 配置中实现 S T E P 的D B 块转换为M P I 的D B块。对 M P I 进行 通道、 设备、 起始地址及其它一些参数的配置， 令 M P I 的D B 块与S T E P 7 中的D B 块相对应， F I X的应 用程序才能获取现场数据。 4 结语 1 提升机电控系统采用P R O F I B U S 总线控制 模式后， 大大增强了系统的安全可靠性， 降低了系统 组成费用， 系统检修维护方便。 2 根据各矿井提升条件的不同， 本系统可对 软硬件灵活配置， 已在充州矿业 集团 公司， 淮南 矿业 集团 公司等部分下属煤矿的矿井提升机上 运行， 取得良 好的效果。 参考文献 [ 1 〕 李志刚. P R O F I B U S 现场总线技术及应用〔 J ] . 矿冶工程， 2 0 0 0 [ 2 ] 王朝晖， 王安山. 矿井提升机系统新技术及装备[ M] . 北京 煤 炭工业出版社， 1 9 9 9 作者 简介 栗伟 1 9 7 9 一 ， 男， 在读硕士 研究 生。主 要 从事 控制理论 与控制工程方面的研究， 发表文章2 篇。 收稿日 期 2 0 0 4 一 1 1 一 1 5 ; 责任编辑 姚克