基于PLC的矿用提升机监控系统改进设计.pdf

收稿日期2019－11－14 基于PLC的矿用提升机监控系统改进设计 崔文亮 （阳煤集团平定裕泰煤业有限公司， 山西阳泉045200） 摘要将智能控制技术应用到提升机监控系统中，已成为当下提升机监控系统综合性能的研究重点。为此，以某煤矿提升机监控系统为研究对 象，分析了现有监控系统存在的问题，采用PLC控制技术，开展了监控系统的升级优化及应用测试，改进后的监控具有更好的监控性能，能有效 地降低提升机的故障率及人员的劳动强度，为企业带来较大的经济效益。 关键词煤矿；提升机；监控系统 中图分类号TP277文献标志码A文章编号1009－9492 2020 06－0088－02 Improved Design of Mine Hoist Monitoring System Based on PLC CUI Wenliang （Pingding Yutai Coal Industry Co., Ltd., Yangquan Coal Group, Yangquan, Shanxi 045200, China） AbstractThe application of more advanced control technology to the hoist monitoring system has become the focus of the research on the comprehensive perance of the hoist monitoring system. Taking the coal mine hoister monitoring system as the research object, the existing problems of monitoring and control system were analyzed, PLC control technology was carried out for the monitoring system upgrade optimization and application test. The improved monitoring system has better monitoring perance, which can reduce the failure rate of elevator and the personnel′s labor intensity, and bring greater economic benefits for the enterprise. Key wordscoal mine; elevator; monitoring system DOI 10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2020. 06. 034 第49卷第06期Vol.49No.06 机电工程技术 MECHANICAL ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGY 崔文亮. 基于PLC的矿用提升机监控系统改进设计［J］. 机电工程技术，2020，49（06） 88-89. 0 引言 矿用提升机作为煤矿开采中的重要设备，已在煤矿中得 到了广泛应用，监控系统则成为保证提升机作业安全的重要 系统。现有的监控系统大多存在监控精度低、响应速度慢、 计算能力差等问题[1]，加上井下环境的恶劣性和设备使用年限 相对较长，导致现有的监控系统存在严重老化或信号误报率 高等问题，严重影响着提升机的作业效率及运行安全。因 此，有必要将更加先进的控制技术应用到监控系统中[2]。为 此，结合现有监控系统存在问题及PLC控制技术的优势，开 展了基于PLC控制技术的提升机监控系统升级优化研究，并 对改进后的监控系统进行了应用测试，由此验证了改进后的监 控系统具有一定的可行性，能更好地保证提升机的作业安全。 1 现有提升机监控系统存在问题 目前，国内煤矿中提升机大多采用的是20世纪90年代的 设备，就算使用时间短的设备也有约10年，其自动化和智能 化程度相对较低。下面就提升机上的监控系统存在的问题进 行分析，具体如下 （1） 现有的监控系统通讯主要采用电缆方式进行连接， 存在抗信号干扰能力差、信号传输速度慢、网络冗余功能设 计不足、电缆老化严重等问题，系统发生较小的故障都可能 会使提升机无法正常作业，严重影响设备的作业效率[3]； （2）现有的监控系统存在设备操作、设备监控、故障判 断等方面存在灵活性差、响应不灵敏等问题，且整体具有较 大的耗电量，对整个煤矿环境的安全性造成了严重的安全隐患； （3）现有传感器虽能对提升机中的油温、油压、电压等 信号进行数据采集，但大部分传感器设备存在老化严重、信 号采集精度低、响应速度慢等问题，时常出现信号误判现 象，这将会对操作人员的判断造成巨大影响，严重时会造成 设备及人员的损坏或伤亡[4]； （4）监控系统的控制方式较为落后，与当下的PLC控制 技术相比，存在系统运行速度慢、运算能力弱等问题，系统 运算复杂时，现有的系统处理器可能会出现无法分析计算状 况，使监控系统无法准确地对提升机运行状态进行监控，这 也给提升机的作业安全性造成了严重威胁[5]。 综上分析，随着控制技术、计算机技术的不断升级和发 展，将更加先进的技术应用到提升机监控系统中，实现监控 系统的升级优化，已成为提高提升机作业效率及安全的重要 方向。 2 监控系统的总体设计 提升机监控系统主要由底层设备层、核心控制层、信息 管理层等组成，其中，底层设备层包括了各类传感器、配电 柜、电机、变频器等，主要负责对提升机中各类信号进行实 时采集；核心控制层则主要包括PLC控制器、交换机等，主 要负责接收来自底层信号，并通过内部的程序代码和判断算 法，对信号进行分析判断，最终通过交换机将处理后的控制 命令信号传输至上机位管理层；而信息管理层主要负责接收 核心层发出的控制命令信号，通过上机位软件内部程序的故 障诊断和分析，向相应功能模块发出声光报警、远程控制及 信号显示等操作，同时，根据需要将信息进行打印、存储及 曲线绘制，以此来实现提升机运行状态的监控和控制，整个 88 （下转第181页） 提升机监控系统的结构框架如图1所示。考虑到提升机监控系 统存在一定的复杂性，控制及运算量相对较大，故在监控系 统改进设计中，选用了西门子的S7-300系列的PLC控制器作 为监控系统的信号收集及处理的工具。而传感器则配备了速 度传感器、油压传感器、油温传感器、电压传感器、电流传 感器等，分别负责对提升机运行中的提升速度、制动系统油 压、制动系统油温、控制系统工作电压及电流等信号的采 集；而监控系统中的通讯则采用了CAN总线方式进行通讯， 上机位与下机位之间采用了以太网方式进行连接，以此实现 监控信号的实时共享和交换。 3 监控系统关键分系统设计 3.1 PLC控制器匹配 PLC控制器是整个提升机监控系统的核心部分，也是整 个硬件系统的重要组成，能快速完成外界信号的全面接收， 并通过内部的程序代码和计算方法，完成输入信号的分析处 理，并实时向外部发出控制信号[6]。因此，在选用的S7-300 系列PLC控制器，提升机中的电压、电流、油压、温度、传 感器信号等信息可通过模拟量输入接口进行输入，在PLC内 部进行处理后，通过模拟量输出接口进行控制命令信号的输 出。该 PLC 控制器的工作电压平台设计为 24 V 直流电压， CPU采用了CPU 315-2PN/DP 型号，可通过循环扫描方式来接 收处理输入信号，并进行相应的逻辑运算、诊断及程序编写 等操作，所配备的 32 个功能模块，具有较强的扩展能力。 同时，PLC 控制器中的数字量输入模块则采用了 SM321 型 号，能稳定、快速地将传感器信号转为CPU能识别的电平信 号，是整个PLC内部的桥梁。另外，PLC控制器中的电源模 块则采用了PS307型号，并进行双电源模块的供电配置，可 迅速将外部220 V/380 V交流电源转为24 V直流电源，其工 作电流范围为210 A，能较好地满足系统不同用电的控制需 求。所配备的PLC控制器能更好地满足提升机监控系统的使 用需求。 3.2 监控系统电气控制 在整个监控系统中，存在着诸多电气元件，而各元件之 间需通过专门的控制方式进行连接。目前，针对元件的控制 主要有手动控制和PLC远程控制，其中，手动控制虽在某些 程度能节约一定的费用、操作更容易，但存在线路复杂、稳 定性较差等问题，导致手动控制经常出现信息误报等故障问 题，且后期检修时也存在较大的难度。而采用PLC控制器进 行控制，能大大提高控制系统的稳定性，系统出现故障的概 率明显降低，安全系数更高，适用于复杂线路的控制。因 此，针对提升机的监控系统，则采用了手动和PLC两种控制 方式进行双重控制，大大提高了系统的灵活性和稳定性。整 个监控系统中的电气控制原理如图2所示，图中外部电压通过 整流变压器后，输送至变频调节柜，最终将高电压转换为对 应的PLC工作电压、测速机工作电压及其他电压平台，以此 完成对用电元件的电压供电；其中，外部所有元件的信号将 会汇总于PLC控制柜中，经过PLC的统一分析处理后，分别 对外发出相应的控制命令。 3.3 PLC控制程序 结合前文确定的PLC控制器，在完成监控系统相关硬件 匹配后，需对其控制程序进行编程设计。由于提升机监控系 统相对复杂，运行较为紧凑，故在PLC 控制程序设计中，需 主要对OB100系统初始化模块、OB1循环组织块、故障诊断 处理模块、通讯数据模块、控制命令模块等不同方面进行设 计，PLC控制程序总体框架图如图3所示。 图1监控系统结构框架图 图2提升机电气控制原理图 图3PLC控制程序框架图 崔文亮基于PLC的矿用提升机监控系统改进设计 89 参考文献 [1] 唐宝锋,陈明,林榕,等.智能变电站二次光缆优化设计[J].河北 电力技术,201634-6. [2] 王雷,孙晓飞.智能站与常规站二次系统主要技术差异[J].东 北电力技术,2012245-46. [3] 肖志强,吴文斌,范运珍.智能变电站与常规变电站运行维护 的几点关键区别[J].华中电力,20122129-130. [4] 李宏伟.应用于智能变电站的智能视觉系统[J].电力自动化设 备,2012,32882-83. [5] 张小鹏,白金花.智能变电站站城后备保护原理及实现技术 [J].科技传播,20132358. [6] 司树华.变电站电气自动化与电力安全运行研究[J].电子技术 与软件工程,201605 50. [7] 刘晓晴.110 kV变电站电气自动化技术及应用研究[J].中国 高新科技,20170474-76. [8] 马立才.变电站电气自动化控制系统分析及其应用[J].电气技 术与经济,201901 13-14. [9] 俞学文,唱环凯,杜永祥.变电站电气自动化与电力安全运行 研究[J].山东工业技术,201821178. [10] 王璞,李新帅,米硕.浅谈电力系统继电保护[J].中国新技术新 产品,201814 75-76. 作者简介徐爱彦 （1972-） ，女，山西五台人，大学本科， 工程师，研究领域为电气自动化。 （编辑 刁少华） 通讯数据处理程序是PLC控制程序中的一部分。该程序 采用了STEP7编程软件中梯形图语言对其进行程序编写，之 后编好的程序可向上机位发出按规律变化的电信号数值，上 机位软件通过内部的识别判断程序，将该数值与设定值进行 周期性判断，若两数值相同，则允许运行系统的通讯连接， 否则将中断通讯。通讯数据处理模块的控制程序如图4所示。 而PLC控制器中其他功能程序基本采用统一编程方法进行编 写，这里就不一一赘述。 4 提升机监控系统应用效果分析 在现有监控系统基础上，采用PLC控制方式完成了提升 机监控系统的改进升级。为进一步验证改进后的监控系统整 体性能，将其在裕泰煤矿中某型号的提升机上进行了应用测 试，测试中，主要在现有提升机监控系统基础上，更换及加 装了相关的 PLC 控制器、控制程序及相关传感器和其他设 备，开展了近4个月的应用测试。 通过现场测试，得出改进后的监控系统在运行过程中未 出现系统不稳定或系统故障等问题，运行状态良好，对提升 机作业中的相关信号监控及显示更加快速、及时，在系统报 警中，也添加了多级故障报警提示，人机界面显示的相关信 号参数也更加全面。在整个测试过程中，提升机未出现较大 的故障问题，即使出现了故障问题，也全部在显示界面中进 行了实时显示，与原有监控系统相比，系统智能程度更高， 使提升机故障率降低了约45，作业人员的劳动强度也减轻 了50左右。据推算，该监控系统在提升机上的应用，一年 时间内，将为企业增加约50万的经济效益。 5结束语 为保障提升机作业过程中具有更高的作业效率及安全， 对其设备中安装的监控系统进行升级优化设计，已成为当下 煤矿企业重点考虑的问题。因此，重点分析了现有提升机监 控系统运行中存在的问题，以此为基础，开展了基于PLC控 制的监控系统改进设计和现场应用测试，测试结果表明 （1）改进后的监控系统功能更加齐全，性能更加稳定可 靠，信号分析处理速度更快； （2） 改进后的监控系统使提升机的故障率降低 45左 右，人员的劳动强度减轻50左右，给企业带来的经济效益 相当明显； （3） 改进后监控系统得到了现场人员的一致认可和好 评，同意将其进行投入使用； （4）该研究对提高监控系统综合性能具有重要作用，能 有效提高提升机的作业效率及作业安全。 参考文献 [1] 贾南杰.煤矿在线瓦斯抽采管网监控系统技术研究及应用[J]. 当代化工研究,20191384-85. [2] 崔忠.矿井主煤流综合自动化监控系统研究[J].能源与环保, 201910116-118. [3] 谢珍.煤矿监测监控系统的升级改造[J].机械管理开发,2019 10194-195. [4] 柏宇.煤矿安全监控系统升级改造及关键性技术研究[J].淮南 职业技术学院学报,2019,19056-7. [5] 冯建华.煤矿安全监测监控系统的应用及发展探究[J].矿业装 备,20190542-43. [6] 陈冰,赵璐.PLC技术在煤矿机电控制系统中的应用分析[J]. 南方农机,2019,5018157. 作者简介崔文亮（1987-） ，男，大学专科，工程师，研究 领域为煤矿机电技术。 （编辑 王智圣） 图4PLC 通讯数据处理模块的控制程序图 （上接第89页） 􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂 徐爱彦西铭矿玉门变电站35 kV供电系统的智能化改造 181