龔文

（大同煤礦集團公司 四臺礦，山西 大同 037007）

基于PLC與組態(tài)的礦用提升機在線監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)

龔文

（大同煤礦集團公司 四臺礦，山西 大同 037007）

礦用提升機的正常運行對煤礦安全生產(chǎn)至關(guān)重要。分析提升機系統(tǒng)及其監(jiān)測現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，采用PLC與組態(tài)軟件，開發(fā)了礦用提升機在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括：對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行采集傳送的下位機PLC和對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行顯示保存的上位機監(jiān)測軟件，具有良好的可擴充性、可修改性、可移植性、可維護性，性能穩(wěn)定可靠，操作簡單，便于推廣，已投入實用，并取得了良好效果。

狀態(tài)監(jiān)測；組態(tài)；PLC；提升機

隨著計算機、通訊、網(wǎng)絡(luò)、控制技術(shù)的發(fā)展，新技術(shù)已用于工業(yè)自動化控制領(lǐng)域。對于礦用提升機來說，應(yīng)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和組態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)在線實時監(jiān)測，完成對提升機的信息化管理，保證礦井提升系統(tǒng)的安全生產(chǎn)。

1 監(jiān)測系統(tǒng)整體方案

1.1 監(jiān)測對象分析

研究對象為雙筒纏繞式礦井提升設(shè)備，主要包括：罐籠、提升鋼絲繩、提升機輥筒、提升機電機等。本系統(tǒng)主要對其地上大型固定設(shè)備的運行狀態(tài)進行在線監(jiān)測，主要有：提升機運行速度的監(jiān)測、液壓制動系統(tǒng)的監(jiān)測、潤滑油壓的監(jiān)測，閘瓦間隙的監(jiān)測、電動機的電壓電流及其軸瓦溫度的監(jiān)測等。

1.2 監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

監(jiān)測系統(tǒng)主要分為：底層傳感器、設(shè)備層、監(jiān)測層，見圖1。底層傳感器包括霍爾傳感器、溫度傳感器、潤滑傳感器、制動油壓傳感器、測速電機電壓、測速電機電流等。設(shè)備層即下位機，采用了和利時公司的LK PLC；監(jiān)控層為運行在上位機的組態(tài)監(jiān)測。傳感器是采集監(jiān)測數(shù)據(jù)的底層設(shè)備，由傳感器采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過屏蔽雙絞線傳送至設(shè)備層下位機即PLC采集模塊；PLC的CPU通過工業(yè)交換機，將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過Modubus通訊協(xié)議，按一定的地址換算關(guān)系映射到上位機；上位機軟件接收監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行實時顯示并做進一步的處理。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

組態(tài)軟件具有良好的開發(fā)環(huán)境，具有實時多任務(wù)的工作特性和監(jiān)測功能，并有豐富的圖形動畫功能，所有采集的數(shù)據(jù)都可通過圖形動畫表現(xiàn)出來，為開發(fā)者提供了非常理想的平臺[5]。本系統(tǒng)采用模塊化、層次化的思想進行編寫，可使系統(tǒng)充分發(fā)揮其功能，能滿足監(jiān)測功能，而且操作簡單，界面直觀，可靠性高，維護簡便。在硬件搭建的基礎(chǔ)上，通過下位機PLC對各監(jiān)測參數(shù)進行采集傳送，利用組態(tài)軟件完成對監(jiān)測對象模型的抽象和構(gòu)建，依據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求，設(shè)計了信號采集、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)處理、比較報警、曲線存儲、報表查詢等模塊，將采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)實時顯示，并存儲到數(shù)據(jù)庫，以便維修和決策提供客觀準確的參考依據(jù)。

2 PLC對數(shù)據(jù)的采集傳送

監(jiān)測系統(tǒng)下位機選用和利時PLC的LK系列，通過數(shù)據(jù)擴展模塊采集由底層傳感器采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過Modubus-TCP協(xié)議與上位機監(jiān)測軟件進行數(shù)據(jù)通訊，完成對整個監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)從底層采集到向上位監(jiān)測系統(tǒng)傳送的功能，因此是聯(lián)系底層設(shè)備與上位監(jiān)測的中樞，見圖2。

圖2 監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送流程

PLC作為整個監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與傳送的核心，首先是通過數(shù)據(jù)采集模塊，采集從底層傳感器得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)，程序模塊見圖3。其中第二引腳CPU地址通過撥碼得到。本系統(tǒng)采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)為模擬量及I/O量。模擬量主要包括：提升機電機的電壓、電流，電機軸瓦溫度，測速電機電壓、電流，輥筒的閘瓦間隙，潤滑油壓，制動油壓等。I/O量主要包括：正向開車，反向開車，上行打點，下行打點，正向過卷，反向過卷，松繩保護，安全回路，停車到位信號等。

圖3 數(shù)據(jù)讀取模塊

監(jiān)測數(shù)據(jù)從底層傳感器傳至PLC的CPU過程中，分為兩類形式：一種是由傳感器采集直接傳到PLC的采集模塊，另一種是由傳感器采集后先在智能儀表上顯示，然后利用RS485通訊協(xié)議傳至PLC的CPU。第一類監(jiān)測數(shù)據(jù)例如輥筒的閘瓦間隙。閘瓦間隙由安裝在輥筒上的霍爾傳感器，通過屏蔽雙絞線直接傳送到PLC的LK411模塊，這類數(shù)據(jù)可直接傳送至下位機，因此不需要編程。另一類監(jiān)測數(shù)據(jù)例如提升機電機的電壓電流及其軸瓦溫度。監(jiān)測數(shù)據(jù)由智能儀表向PLC傳送時，首先要映射為PLC中的一個虛擬設(shè)備，見圖4。在PLC中為傳送上來的監(jiān)測數(shù)據(jù)開辟一定的存儲空間，為了增加數(shù)據(jù)傳送的穩(wěn)定性，要為向上位機傳送的數(shù)據(jù)再開辟一定的存儲空間。本監(jiān)測系統(tǒng)中用到兩種智能儀表，其寄存器的首地址并不相同，要將寄存器的首地址設(shè)為變量，循環(huán)讀取監(jiān)測數(shù)據(jù)。PLC CPU采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)，還要向上位機組態(tài)監(jiān)控軟件傳送，在上位機監(jiān)測軟件中還要映射為一個虛擬的設(shè)備，同樣需要有一個地址，見圖5。

圖4 設(shè)備映射模塊

圖5 上位映射模塊

3 組態(tài)監(jiān)測軟件的設(shè)計開發(fā)

提升機狀態(tài)監(jiān)測軟件設(shè)計以組態(tài)軟件為開發(fā)平臺。在功能上，監(jiān)測軟件由單純的數(shù)據(jù)顯示向曲線圖形化綜合顯示拓展。在方式上，智能儀表和過程的可視化代替了傳統(tǒng)的指針儀表及數(shù)字顯示。在軟件開發(fā)環(huán)境上，可視化、圖形化組態(tài)環(huán)境代替了傳統(tǒng)的編程模式。此組態(tài)監(jiān)測軟件支持各種工控設(shè)備和常見的通信協(xié)議，并且提供分布式數(shù)據(jù)管理和網(wǎng)絡(luò)功能，包括：工程管理器、工程瀏覽器、圖形開發(fā)界面、圖形運行界面、實時數(shù)據(jù)庫管理、I/O驅(qū)動程序等[6]。提升機狀態(tài)監(jiān)測軟件實時采集由下位機PLC傳送的數(shù)據(jù)，對提升機的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，出現(xiàn)異常及時報警并記錄；具有實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線、數(shù)據(jù)庫存儲查詢功能；結(jié)構(gòu)分為：系統(tǒng)登錄、監(jiān)測中心、數(shù)據(jù)處理。

3.1 系統(tǒng)登錄及監(jiān)測中心

系統(tǒng)進入運行狀態(tài)時，首先與數(shù)據(jù)庫相連接，啟動系統(tǒng)登錄界面。在此用戶需要登錄，系統(tǒng)確認用戶身份并賦予相應(yīng)的管理及操作權(quán)限。用戶登錄系統(tǒng)后進入上位機主顯示界面監(jiān)測中心，見圖6。監(jiān)測中心對提升機的各主要部分進行了模型化抽象，用圖形化語言顯示了提升機罐籠、電機、輥筒的運行狀態(tài)，用實時曲線顯示了提升機罐籠的運行速度，用數(shù)據(jù)表格的形式顯示了提升機的監(jiān)測參數(shù)，抽象化模型真實地反映了提升機系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)。

圖6 系統(tǒng)監(jiān)測中心

由霍爾傳感器及測速電機電壓得到的監(jiān)測參數(shù)，準確地顯示出提升機罐籠實時的位置及速度。根據(jù)提升機的技術(shù)參數(shù)指標得到其罐籠運行時的標準速度曲線，實時曲線對比，可校正司機的開車習(xí)慣，使開車操作更加科學(xué)規(guī)范，從而保證生產(chǎn)的安全正常運行。裝在輥筒軸瓦上的霍爾傳感器采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可實時顯示各閘瓦的間隙，當有間隙過大時監(jiān)測數(shù)據(jù)在上位機會顯示為警報色，提示技術(shù)人員對相關(guān)設(shè)備及時進行檢查維修。

3.2 數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)的上位機數(shù)據(jù)處理界面包括：趨勢曲線界面、數(shù)據(jù)庫界面、報警界面。趨勢曲線界面包括實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線。實時趨勢曲線可實時反映各監(jiān)測參數(shù)的變化趨勢，利用歷史趨勢曲線可對各監(jiān)測參數(shù)的歷史記錄進行在線查詢，了解各監(jiān)測參數(shù)的歷史變化趨勢，見圖7。數(shù)據(jù)庫界面包括數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建、配置、數(shù)據(jù)的存儲及查詢等功能，選定要記錄的監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲到配置的數(shù)據(jù)庫中，系統(tǒng)會按配置的要求對數(shù)據(jù)進行存儲，當對設(shè)備進行維修時可在線查詢數(shù)據(jù)庫中所記錄的數(shù)據(jù)，從而可使維修工作更加科學(xué)、規(guī)范、有針對性。當提升機系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)異常情況，監(jiān)測系統(tǒng)的報警界面會自動彈出，同時出現(xiàn)語音報警，提示技術(shù)人員提升機系統(tǒng)已出現(xiàn)異常、應(yīng)采取相應(yīng)的措施，報警一旦出現(xiàn)需要人為確定才能終止此次報警。

圖7 趨勢曲線

4 結(jié)論

礦用提升機的正常運行，對煤礦安全生產(chǎn)至關(guān)重要。分析了提升機系統(tǒng)及其監(jiān)測現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，經(jīng)對提升機各部分進行分析及模型抽象，利用PLC作為下位機對數(shù)據(jù)進行采集，通過數(shù)據(jù)通訊協(xié)議等將數(shù)據(jù)傳送到上位機進行圖像化綜合顯示，構(gòu)建了提升機運行狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)。通過本監(jiān)測系統(tǒng)可以獲取提升機實時運行狀態(tài)信息，對運行過程中出現(xiàn)的故障早期預(yù)警采取相應(yīng)措施，可減少甚至避免事故的發(fā)生，提高了煤礦運行的安全性，獲得了可觀的經(jīng)濟效益。

[1]李錄鋒,張玉鳳.基于工控機的礦井提升設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].礦山機械.2006(12):72-74.

[2]夏戰(zhàn)國,張磊,牛強,夏士雄.基于OPC的礦井提升機監(jiān)測數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)[J].微計算機信息.2008（10）：117-119.

[3]張秀平.礦井提升機監(jiān)測系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].工礦自動化.2007（7）：78-79.

[4]段楠,劉杰輝,王桂梅.基于LabVIEW的礦井提升機監(jiān)測系統(tǒng)[J].礦山機械.2007(6):81-82.

[5]楊澤青,劉麗冰,楊偉東,張亞彬.基于組態(tài)的曲軸數(shù)控加工過程監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].制造技術(shù)與機床,2010(1):135-140.

[6]付勝，朱全.礦用通風(fēng)機遠程狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)警的研究[J].中國煤炭.2008(4):44-46.

Online Monitoring System Development of Hoisters in Mines Based on PLC and Configuration

GONG Wen
(Sitai Mine,Datong Coal Group,Datong Shanxi 037007)

Hoisters are very important for safety production in mines.Based on the analysis of hoister system and its monitoring situation,the online monitoring system was developed with PLC and configuration software.The system includes lower machine PLC which samples and transmits monitoring data and upper machine monitoring software which displays and saves the data.The system can be easily expanded,modified, transplanted and maintained.Its stability and simplicity are easier to spread.The practice has achieved good effects.

condition monitoring;configuration;PLC;hoister

TD67；TP306

A

1672-5050（2012）02-0077-04

2011-11-05

龔 文（1971—），男，山西懷仁人，本科，工程師，從事煤礦機電管理工作。

劉新光