PROFIBUS-DP现场总线在矿山提升控制系统的应用

0 引言
　　随着计算机网络技术在工控领域的应用和发展，建立基于PROFIBUS—DP现场总线的矿井提升控制监控系统成为解决矿井安全提升问题的有效途径。近10 a来，世界上出现了多种有影响的现场总线，其中，PROFIBUS—DP现场总线是一种全数字化的、串行、双向传输、多分支结构的通信网络，专为自动控制系统和分散I／O设备之间通信设计。在单根电缆上连接多个仪表和设备，传递的信息量大、抗干扰性能力强，大幅降低安装、运行和维护成本，PRO．FIBUS—DP现场总线在矿山提升电控系统中的应用可以使系统更可靠、简便、直观。
1 系统硬件设计及主要功能
　　控制对象为某金属矿山副井，该副井承担着该矿人员和材料提升，还要承担井下部分矿石提升任务。井深为520m，共设8个水平中断，副井提升机采用2．5m多绳摩擦轮，双层罐笼配平衡锤方式。直流电动机驱动，直流电动机功率为400kW，正常提升时速为8m／s。提升特殊材料如炸药、雷管等，时速为2m／s，爬行距离为6m，爬行速度0．5m／s。控制监控系统均建立在基于ROFIBUS—DP现场总线通讯网络之上，如图1。

1．1 PLC硬件设计
　　PLC选型根据通用性、标准性、可靠性等原则，系统主站采用德国SIEMENS S7—300 PLC（CPU315— 2DP），站地址设为2。s7—300 PLC系列的PLC一个机架上最多带8个输人输出和功能模块。在本副井提升机控制系统中使用了5个输人模块SM321和3个输出模块SM322，2个高速计数模块FM350—1，因此采用了2个机架，中央机架和扩展机架用131365通讯模块连接。2个机架均装有PS307电源模块给PLC系统供电。主控系统PLC主要完成逻辑运算控制、安全回路控制、速度运算和监视、行程计算和保护等任务。
　　地面信号室和+27 m材料装运平台主要完成控制安全门、摇台、选择材料种类、罐笼去向等任务，为了减轻主控PLC的控制任务，在信号室配备一台SIEMENS S7—200 PLC（CPU226）完成上述功能，一块EM223用于输入输出点数扩展。在CPU226上扩展一块EM277通讯模块。CPU226作为智能从站通过EM277挂接在PROFIBUS—DP总线上，该站作为S7— 300 PLC的从站，地址设为4。1～8’水平中段位于井下，主要完成采集本中段井筒开关信号，控制安全门、摇台，上下调罐、向地面信号室发出各种呼罐信号等任务。
　　各中断采用ET200M远程控制站与地面PLC通讯，ET200M是基于PROFIBUS—DP现场总线的分布式控制系统。本系统共有8个ET200M分布式I／O从站。每个ET200M分布式I／O从站有2个SM321数字输人模板，1个SM322数字输出模板。所有的ET200M从站通过本站通讯接口模板IM153通讯接口与PROFIBUS—DP现场总线相连。其远程站地址依次设为5一l2，与S7—300 PLC完成提升控制数据交换。
1．2 全数字直流调速硬件设计
　　传动部分采用西门子SIMOREG DC—MASTER直流调速装置，型号为6RA7093—4DV62—0。用于向提升直流电动机的电枢和磁场供电，通过PROFI．BUS—DP现场总线通讯网络接受和执行主PLC下达的运行速度、加速度上升和下降时间等各项指令，完成提升机运行参数的调节功能。调速装置配备有PROFIBUS—DP现场总线接口，它可以作为S7—300PLC的一个从站。通过总线连接器与S7—300 PLC、S7—200 PLC、ET200M形成一个PROFIBUS—DP现场总线通讯局域网，完成各种数据交换功能。除了要在主站中设置连接外，还要对调速装置自身的一些功能参数进行设置，才能保证主站和从站间的正常通信。参数P918用来设定从站的总线地址，本设计中其从站地址设为3，实现对PLC控制字，给定值状态字的读写。
1．3 继电器控制回路设计
　　继电器控制回路包括：安全制动控制、一级制动控制、二级制动控制、提升机开停控制、方向控制、提升机减速控制、润滑油站控制、液压站控制回路等，它与PLC回路共同组成多重保护。继电器回路和PLC回路既相互有机结合又保持相对独立，当PLC故障暂不能投人时．仍可在系统保证基本安全的条件下应急开车。
1．4 系统基本功能
　　提升系统主要工作过程为：司机在看到允许开车信号以后，按下开车按钮，由主PLC控制系统自动判断开车去向，自动实现提升机开车、加速、等速、减速、爬行、停车的全过程。同时PLC监视提升机运行过程中的安全状况，发现问题自动采取相应对策。脉冲轴编码器作为提升系统的行程和速度的测量器件，具有很高的测量精度。在提升机的电机轴和导向轮上，各安装一个脉冲轴编码器进行同步测量，其计数值进人FM350—1计数模块计数，PLC对计数结果进行分析和控制，完成提升位移、速度计算控制和显示功能。一般以导向轮上脉冲轴编码器计数为准，如果2个脉冲轴编码器计数值不一致，当其误差达到一定值时，说明钢丝绳打滑，PLC将发出报警信号。
2 软件设计
　　S7—300 PLC用西门子公司STEP7软件编程。STEP7将用户程序指令存放在“块”中，本控制系统主要有4类用户程序：功能Fc（Function）、功能FB（Function block）、组织块OB（Organization block）和数据块（Date block），其中FB和Fc作为OB的子程序。主循环模块OB1中存放所有用户程序以待执行，也可以将用户程序存放入不同的功能模块中，只在OB1中调用，需要时才执行。PLC的CPU中的操作系统在系统启动后将连续循环扫描执行OB1，实现对现场设备的控制。本系统使用了3个OB块（OB10、OB100、0B35）。OB100为加电启动组织块。在该组织块中编制有关系统参数初始化的程序。该组织块仅在系统加电起动后运行一次。0B35为中断组织块，它的主要功能是产生时间中断，本系统时间中断时间设为20 Ills，本系统利用OB35的时间中断功能计算提升速度和加速度。OB1为循环运行组织块，即用户主程序部分，提升系统PLC主程序流程框图如图2所示。