基于PLC與組態(tài)的礦用提升機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

龔文

（大同煤礦集團(tuán)公司 四臺(tái)礦，山西 大同 037007）

基于PLC與組態(tài)的礦用提升機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

龔文

（大同煤礦集團(tuán)公司 四臺(tái)礦，山西 大同 037007）

礦用提升機(jī)的正常運(yùn)行對(duì)煤礦安全生產(chǎn)至關(guān)重要。分析提升機(jī)系統(tǒng)及其監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，采用PLC與組態(tài)軟件，開(kāi)發(fā)了礦用提升機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括：對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集傳送的下位機(jī)PLC和對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示保存的上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件，具有良好的可擴(kuò)充性、可修改性、可移植性、可維護(hù)性，性能穩(wěn)定可靠，操作簡(jiǎn)單，便于推廣，已投入實(shí)用，并取得了良好效果。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)；組態(tài)；PLC；提升機(jī)

隨著計(jì)算機(jī)、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(dòng)化控制領(lǐng)域。對(duì)于礦用提升機(jī)來(lái)說(shuō)，應(yīng)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和組態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，完成對(duì)提升機(jī)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(cè)系統(tǒng)整體方案

1.1 監(jiān)測(cè)對(duì)象分析

研究對(duì)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(jī)輥筒、提升機(jī)電機(jī)等。本系統(tǒng)主要對(duì)其地上大型固定設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，主要有：提升機(jī)運(yùn)行速度的監(jiān)測(cè)、液壓制動(dòng)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、潤(rùn)滑油壓的監(jiān)測(cè)，閘瓦間隙的監(jiān)測(cè)、電動(dòng)機(jī)的電壓電流及其軸瓦溫度的監(jiān)測(cè)等。

1.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分為：底層傳感器、設(shè)備層、監(jiān)測(cè)層，見(jiàn)圖1。底層傳感器包括霍爾傳感器、溫度傳感器、潤(rùn)滑傳感器、制動(dòng)油壓傳感器、測(cè)速電機(jī)電壓、測(cè)速電機(jī)電流等。設(shè)備層即下位機(jī)，采用了和利時(shí)公司的LK PLC；監(jiān)控層為運(yùn)行在上位機(jī)的組態(tài)監(jiān)測(cè)。傳感器是采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的底層設(shè)備，由傳感器采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)屏蔽雙絞線傳送至設(shè)備層下位機(jī)即PLC采集模塊；PLC的CPU通過(guò)工業(yè)交換機(jī)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)Modubus通訊協(xié)議，按一定的地址換算關(guān)系映射到上位機(jī)；上位機(jī)軟件接收監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示并做進(jìn)一步的處理。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

組態(tài)軟件具有良好的開(kāi)發(fā)環(huán)境，具有實(shí)時(shí)多任務(wù)的工作特性和監(jiān)測(cè)功能，并有豐富的圖形動(dòng)畫(huà)功能，所有采集的數(shù)據(jù)都可通過(guò)圖形動(dòng)畫(huà)表現(xiàn)出來(lái)，為開(kāi)發(fā)者提供了非常理想的平臺(tái)[5]。本系統(tǒng)采用模塊化、層次化的思想進(jìn)行編寫，可使系統(tǒng)充分發(fā)揮其功能，能滿足監(jiān)測(cè)功能，而且操作簡(jiǎn)單，界面直觀，可靠性高，維護(hù)簡(jiǎn)便。在硬件搭建的基礎(chǔ)上，通過(guò)下位機(jī)PLC對(duì)各監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行采集傳送，利用組態(tài)軟件完成對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象模型的抽象和構(gòu)建，依據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了信號(hào)采集、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)處理、比較報(bào)警、曲線存儲(chǔ)、報(bào)表查詢等模塊，將采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)，以便維修和決策提供客觀準(zhǔn)確的參考依據(jù)。

2 PLC對(duì)數(shù)據(jù)的采集傳送

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)下位機(jī)選用和利時(shí)PLC的LK系列，通過(guò)數(shù)據(jù)擴(kuò)展模塊采集由底層傳感器采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)Modubus-TCP協(xié)議與上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，完成對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)從底層采集到向上位監(jiān)測(cè)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(cè)的中樞，見(jiàn)圖2。

圖2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送流程

PLC作為整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與傳送的核心，首先是通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊，采集從底層傳感器得到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，程序模塊見(jiàn)圖3。其中第二引腳CPU地址通過(guò)撥碼得到。本系統(tǒng)采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為模擬量及I/O量。模擬量主要包括：提升機(jī)電機(jī)的電壓、電流，電機(jī)軸瓦溫度，測(cè)速電機(jī)電壓、電流，輥筒的閘瓦間隙，潤(rùn)滑油壓，制動(dòng)油壓等。I/O量主要包括：正向開(kāi)車，反向開(kāi)車，上行打點(diǎn)，下行打點(diǎn)，正向過(guò)卷，反向過(guò)卷，松繩保護(hù)，安全回路，停車到位信號(hào)等。

圖3 數(shù)據(jù)讀取模塊

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)從底層傳感器傳至PLC的CPU過(guò)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(cè)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(guò)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(jī)，因此不需要編程。另一類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)例如提升機(jī)電機(jī)的電壓電流及其軸瓦溫度。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由智能儀表向PLC傳送時(shí)，首先要映射為PLC中的一個(gè)虛擬設(shè)備，見(jiàn)圖4。在PLC中為傳送上來(lái)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)辟一定的存儲(chǔ)空間，為了增加數(shù)據(jù)傳送的穩(wěn)定性，要為向上位機(jī)傳送的數(shù)據(jù)再開(kāi)辟一定的存儲(chǔ)空間。本監(jiān)測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)。PLC CPU采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，還要向上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控軟件傳送，在上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件中還要映射為一個(gè)虛擬的設(shè)備，同樣需要有一個(gè)地址，見(jiàn)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(cè)軟件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

提升機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)以組態(tài)軟件為開(kāi)發(fā)平臺(tái)。在功能上，監(jiān)測(cè)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(guò)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(kāi)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(cè)軟件支持各種工控設(shè)備和常見(jiàn)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(kāi)發(fā)界面、圖形運(yùn)行界面、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)管理、I/O驅(qū)動(dòng)程序等[6]。提升機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件實(shí)時(shí)采集由下位機(jī)PLC傳送的數(shù)據(jù)，對(duì)提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，出現(xiàn)異常及時(shí)報(bào)警并記錄；具有實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線、歷史趨勢(shì)曲線、數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)查詢功能；結(jié)構(gòu)分為：系統(tǒng)登錄、監(jiān)測(cè)中心、數(shù)據(jù)處理。

3.1 系統(tǒng)登錄及監(jiān)測(cè)中心

系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，首先與數(shù)據(jù)庫(kù)相連接，啟動(dòng)系統(tǒng)登錄界面。在此用戶需要登錄，系統(tǒng)確認(rèn)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(jìn)入上位機(jī)主顯示界面監(jiān)測(cè)中心，見(jiàn)圖6。監(jiān)測(cè)中心對(duì)提升機(jī)的各主要部分進(jìn)行了模型化抽象，用圖形化語(yǔ)言顯示了提升機(jī)罐籠、電機(jī)、輥筒的運(yùn)行狀態(tài)，用實(shí)時(shí)曲線顯示了提升機(jī)罐籠的運(yùn)行速度，用數(shù)據(jù)表格的形式顯示了提升機(jī)的監(jiān)測(cè)參數(shù)，抽象化模型真實(shí)地反映了提升機(jī)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。

圖6 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)中心

由霍爾傳感器及測(cè)速電機(jī)電壓得到的監(jiān)測(cè)參數(shù)，準(zhǔn)確地顯示出提升機(jī)罐籠實(shí)時(shí)的位置及速度。根據(jù)提升機(jī)的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)得到其罐籠運(yùn)行時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)速度曲線，實(shí)時(shí)曲線對(duì)比，可校正司機(jī)的開(kāi)車習(xí)慣，使開(kāi)車操作更加科學(xué)規(guī)范，從而保證生產(chǎn)的安全正常運(yùn)行。裝在輥筒軸瓦上的霍爾傳感器采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可實(shí)時(shí)顯示各閘瓦的間隙，當(dāng)有間隙過(guò)大時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在上位機(jī)會(huì)顯示為警報(bào)色，提示技術(shù)人員對(duì)相關(guān)設(shè)備及時(shí)進(jìn)行檢查維修。

3.2 數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)的上位機(jī)數(shù)據(jù)處理界面包括：趨勢(shì)曲線界面、數(shù)據(jù)庫(kù)界面、報(bào)警界面。趨勢(shì)曲線界面包括實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線和歷史趨勢(shì)曲線。實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線可實(shí)時(shí)反映各監(jiān)測(cè)參數(shù)的變化趨勢(shì)，利用歷史趨勢(shì)曲線可對(duì)各監(jiān)測(cè)參數(shù)的歷史記錄進(jìn)行在線查詢，了解各監(jiān)測(cè)參數(shù)的歷史變化趨勢(shì)，見(jiàn)圖7。數(shù)據(jù)庫(kù)界面包括數(shù)據(jù)庫(kù)的創(chuàng)建、配置、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及查詢等功能，選定要記錄的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到配置的數(shù)據(jù)庫(kù)中，系統(tǒng)會(huì)按配置的要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，當(dāng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行維修時(shí)可在線查詢數(shù)據(jù)庫(kù)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(duì)性。當(dāng)提升機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)異常情況，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的報(bào)警界面會(huì)自動(dòng)彈出，同時(shí)出現(xiàn)語(yǔ)音報(bào)警，提示技術(shù)人員提升機(jī)系統(tǒng)已出現(xiàn)異常、應(yīng)采取相應(yīng)的措施，報(bào)警一旦出現(xiàn)需要人為確定才能終止此次報(bào)警。

圖7 趨勢(shì)曲線

4 結(jié)論

礦用提升機(jī)的正常運(yùn)行，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)至關(guān)重要。分析了提升機(jī)系統(tǒng)及其監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，經(jīng)對(duì)提升機(jī)各部分進(jìn)行分析及模型抽象，利用PLC作為下位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過(guò)數(shù)據(jù)通訊協(xié)議等將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)進(jìn)行圖像化綜合顯示，構(gòu)建了提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以獲取提升機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)信息，對(duì)運(yùn)行過(guò)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(yùn)行的安全性，獲得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

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

[2]夏戰(zhàn)國(guó),張磊,牛強(qiáng),夏士雄.基于OPC的礦井提升機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息.2008（10）：117-119.

[3]張秀平.礦井提升機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].工礦自動(dòng)化.2007（7）：78-79.

[4]段楠,劉杰輝,王桂梅.基于LabVIEW的礦井提升機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].礦山機(jī)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(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2010(1):135-140.

[6]付勝，朱全.礦用通風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障預(yù)警的研究[J].中國(guó)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(jī)電管理工作。

劉新光