＊高希睿

（山西汾西宜興煤業(yè)有限責(zé)任公司 山西 032300）

隨著煤礦智能化建設(shè)的不斷發(fā)展，架空乘人裝置的高效集中控制逐漸成為了煤礦建設(shè)的重要方向，在基于PLC的架空乘人裝置控制系統(tǒng)中，主要包括啟停車模塊、系統(tǒng)控制模塊，本文從這兩個模塊出發(fā)，對基于PLC的架空乘人裝置自動控制系統(tǒng)進行具體設(shè)計。

1.基于PLC的架空乘人裝置概要設(shè)計

架空乘人裝置的功能為：在礦井輔助運輸中，將工作人員運輸?shù)街付ㄎ恢?，其使用環(huán)境如表1所示。

表1 煤礦架空乘人裝置使用環(huán)境

煤礦架空乘人裝置自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架包括工控機、礦井環(huán)網(wǎng)、光電轉(zhuǎn)換模塊、以太網(wǎng)模塊、二部電控柜、三部電控柜。煤礦架空乘人裝置自動控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)無人值守、智能化運行，因此需要結(jié)合PLC技術(shù)來實現(xiàn)對各個裝置的管理與控制，PLC、紅外感應(yīng)裝置共同完成人體信號捕捉，并調(diào)整裝置狀態(tài)，基于PLC的架空乘人裝置系統(tǒng)控制流程，如圖1所示。

圖1 基于PLC的架空乘人裝置系統(tǒng)控制流程圖

同時，由于我礦主斜井架空乘人裝置與主斜井皮帶同巷布置，根據(jù)《山西省應(yīng)急管理廳國家礦山安全監(jiān)察局山西局關(guān)于中煤集團山西華潤聯(lián)盛黃家溝煤業(yè)有限公司“6·15”較大運輸事故的通報》要求：在同一傾斜巷道中架空乘人裝置與帶式輸送機、軌道提升系統(tǒng)同巷布置時，必須設(shè)置電氣閉鎖，兩種設(shè)備不得同時運行。

2.基于PLC的架空乘人裝置啟停車程序設(shè)計

(1)手動、自動模式程序設(shè)計

基于PLC的架空乘人裝置啟停車程序應(yīng)當(dāng)具有手動、自動兩個控制模式，其具體工作流程如下：①自動模式。系統(tǒng)默認(rèn)為自動模式，在手動模式時，也可以通過按下“自動模式”按鍵直接切換到自動模式。此時，啟動信號從乘車點紅外傳感器發(fā)出，紅外傳感器識別感應(yīng)區(qū)內(nèi)部的人員通行情況，如果識別到人員存在，則應(yīng)當(dāng)將信號傳輸?shù)絇LC主控器，根據(jù)自動模式下的程序設(shè)計進行架空人員運輸作業(yè)。同時，在自動模式下，操作人員應(yīng)當(dāng)無法進行手動按鈕操作，否則就很容易造成命令沖突。②手動模式。技術(shù)人員可以按下“手動模式”按鍵直接切換到手動模式。此時，技術(shù)人員可以通過觀察，在合適的情況下按下操作臺上的啟停按鈕，對架空乘人裝置進行有效控制[1]。

(2)白天、黑夜模式程序設(shè)計

在當(dāng)前的煤礦生產(chǎn)過程中，煤礦節(jié)能降耗、提升架空乘人裝置使用率是非常重要的，基于PLC的架空乘人裝置啟停車程序應(yīng)當(dāng)具有白天、夜間兩個控制模式，其具體工作流程如下：①白天模式。即正常工作時間段，主要指的是7點—24點這一時間段，此時，整個系統(tǒng)正常運行，當(dāng)延時時間到達預(yù)定時間，同時人體紅外線感應(yīng)器檢測到無人時，整個系統(tǒng)會自動進行調(diào)整，進行變頻器多段速控制，將架空乘人裝置的高速運行轉(zhuǎn)換為低速運行狀態(tài)。②夜間模式。即節(jié)能工作時間段，指的是0點—7點這一時間段，此時，整個系統(tǒng)處于夜間模式，紅外傳感器正常工作，當(dāng)檢測到有人員經(jīng)過時，紅外傳感器會將信號傳輸?shù)絇LC主控器端口，主控器啟動，進行人員運輸。當(dāng)延時時間到達預(yù)定時間，同時人體紅外線感應(yīng)器檢測到無人時，整個系統(tǒng)會自動進行調(diào)整，與白天模式不同，會直接將架空乘人裝置的高速運行轉(zhuǎn)換為停止運行狀態(tài)，能夠在一定程度上節(jié)省能耗。

3.基于PLC的架空乘人裝置保護程序設(shè)計

系統(tǒng)保護程序也是非常重要的，在煤礦架空乘人裝置正常運行的過程中，經(jīng)常會由于各種原因出現(xiàn)諸多機械故障，主要表現(xiàn)為越位、斷軸、油溫異常、泵站開關(guān)故障、架空乘人裝置速度異常等。因此，制定相應(yīng)的智能保護程序也是非常重要的，本文充分結(jié)合實際情況，對速度、液壓站兩個重要點位的安全保護程序進行分析與設(shè)計。

(1)速度檢測與保護程序設(shè)計

在正常情況下，架空乘人裝置的運行速度基本會按照預(yù)定速度執(zhí)行，過快或者過慢基本都預(yù)示著系統(tǒng)自身存在一定問題，同時，速度大小還會對整個系統(tǒng)的安全性、效率造成比較明顯的影響，因此，對其運行速度進行監(jiān)測具有一定現(xiàn)實意義。速度檢測主要通過編碼器設(shè)備來實現(xiàn)，該設(shè)備主要固定在架空乘人裝置驅(qū)動輪處、離驅(qū)動輪最近的托繩輪前，該裝置會將采集到的速度信號轉(zhuǎn)化為高速脈沖傳遞到PLC主控器上，當(dāng)運行速度變化明顯時，該智能控制器應(yīng)當(dāng)能夠發(fā)出警報并停止裝置運行。

編碼器、高速計數(shù)器兩者相互結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)對速度的精準(zhǔn)測量，并通過編碼器向PLC主控器發(fā)送脈沖。其具體內(nèi)容為：①編碼器的原理與結(jié)構(gòu)。編碼器的原理為，其單圈轉(zhuǎn)動后單位脈沖是給定的，在實際運行過程中，能夠比較準(zhǔn)確的測量編碼器轉(zhuǎn)一周的周長，因此，PLC只要記錄編碼器反饋的脈沖式，通過計算即可確定速度的具體數(shù)值。常見的編碼器類型主要包括增量式編碼器與絕對式編碼器，本次研究選擇旋轉(zhuǎn)增量式編碼器，其基本結(jié)構(gòu)包括放大電路、碼盤，放大電路包括發(fā)光管、接收管，能夠?qū)崿F(xiàn)對信號的放大處理，碼盤包括A、B、Z三相脈沖。②高速計數(shù)器。本文研究所采用的計數(shù)器為精度較高、范圍較大的高速計數(shù)器，S7-1200 Smart PLC提供有四個高速計數(shù)器，HSC0-HSC3。S7-1200 Smart高速計數(shù)器存在八種工作模式，主要包括具有內(nèi)部地址控制的單相時鐘計數(shù)器、具有外部地址控制的單相時鐘計數(shù)器、具有正負(fù)時鐘脈沖輸入的雙向時鐘計數(shù)器、A/B正交計數(shù)器，以上四種類型每種都存在兩個具體的工作模式。高速技術(shù)器的編寫步驟為設(shè)置高速計數(shù)器的控制字節(jié)、寫入初始值與預(yù)設(shè)值、使用HDEF指令定義高速計數(shù)器的編號與模式、鏈接相應(yīng)中斷并允許全局開中斷、啟動高速計數(shù)器、編寫相應(yīng)的中斷程序。表2為高速計數(shù)器初始值與預(yù)設(shè)值。

表2 高速計數(shù)器初始值與預(yù)設(shè)值

速度檢測的具體程序設(shè)計思路如下：①調(diào)用“速度”子程序，設(shè)置控制字節(jié)“16#FC”，調(diào)用高速計數(shù)器，對當(dāng)前值、預(yù)設(shè)值進行更新；②寫入初始值；③調(diào)用0號高速計數(shù)器并啟動，以3s為周期進行速度測量，并將脈沖數(shù)裝入VD104寄存地址中，將轉(zhuǎn)換后的轉(zhuǎn)數(shù)裝入VD104寄存地址中，將計算后的電機轉(zhuǎn)數(shù)裝入VD108寄存地址中，最后計算得出每秒電機速度。

(2)液壓站油溫、油位檢測程序設(shè)計

液壓站油溫、油位檢測需要經(jīng)過計算才能實現(xiàn)，其具體邏輯公式內(nèi)容為：OV=[(OSH-OSL)×(IV-ISL)/(ISH-ISL)]+OSL，其中，OV表示轉(zhuǎn)換結(jié)果；OSH表示轉(zhuǎn)換結(jié)果上限；OSL表示轉(zhuǎn)換結(jié)果下限；IV表示轉(zhuǎn)換對象；ISL表示轉(zhuǎn)換對象下限；ISH表示轉(zhuǎn)換對象上限。S7-1200智能編程軟件能夠提供相應(yīng)的庫指令，通過調(diào)用、寫入能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量的信號采集作業(yè)。

油溫、油位檢測程序設(shè)計思路如下：①將OSH、OSL分別設(shè)置為150/0，ISH、ISL分別設(shè)置為27648/0，此時就可得到實際溫度數(shù)值；②將溫度實際值、預(yù)設(shè)值進行比較，區(qū)分其大小，當(dāng)溫度實際值＞溫度預(yù)設(shè)值時，應(yīng)當(dāng)進行報警處理。

4.基于PLC的架空乘人裝置通信組態(tài)的分析與設(shè)計

(1)通信設(shè)計

基于PLC的架空乘人裝置通信組態(tài)也是保證系統(tǒng)正常運行的重要結(jié)構(gòu)之一，本文決定采用估計與PLC的Modbus串口通信，該方法具有傳播形式的多樣性，常見類型包括光纖傳播、以太網(wǎng)通訊等，在本文所采用的西門子S7-1200 SMART PLC中，包括兩種串行通訊接口，分別用于RS485、RS232兩個標(biāo)準(zhǔn)。

西門子S7-1200 SMART PLC系統(tǒng)硬件包括一個CM 1243-5PROFIBUS DP主站模塊、一個CPU 1214DC/DC/DC模塊、一個SM1233數(shù)字量輸入/直流輸出模塊、一個SM1231模擬量輸入模塊、三個ET200S分布式I/O分站、一個4DO×24VDC/0.5AST、一個TM-C120S終端模塊。

RS485接口具體情況如下：①接線方式。RS485接口的3號、8號腳分別代表信號“+”“-”，一個主站可以對應(yīng)多個從站，可以采取一對多的接線方法。②工作方式。在一般情況下，RS485主要為差分工作方式，即邏輯信號電平由雙絞線兩者的差表示。

RS232接口具體情況如下：接線方式。RS232需要兩根數(shù)據(jù)信號線與一根信號地線完成連接，采用負(fù)邏輯，僅支持兩個設(shè)備之間的點對點通信。

(2)通信協(xié)議

通信協(xié)議即數(shù)據(jù)之間的交換規(guī)則，主要包括站號、命令代碼、數(shù)據(jù)、校驗碼。本文研究的通信協(xié)議為Modbus RTU通信協(xié)議，Modbus屬于典型的單主站、無地址的主從通信模式。Modbus RTU信息幀格式包括起始、地址、函數(shù)、數(shù)據(jù)區(qū)域、控制五個基本元素，無明確的開始、結(jié)束字符，其具體元素信息為：①起始符。通常以3.5個字符長度的時間來代替。②地址碼。表示設(shè)備在Modbus中的地址。③功能碼。其功能為向從站指示執(zhí)行某種具體操作，如讀取數(shù)字量輸出狀態(tài)等。此外，Modbus RTU包含四種能量類型，其具體內(nèi)容如表3所示。

表3 Modbus RTU四種能量類型

在數(shù)據(jù)單元協(xié)議中，數(shù)據(jù)類型并無明確差異，都有著具體數(shù)據(jù)地址，需要t通過執(zhí)行地址映射來確定數(shù)據(jù)類型，Modbus數(shù)據(jù)模型的尋址方式主要包括四種基本類型，即0xxxxx、1xxxxx、3xxxxx、4xxxxx，分別表示線圈、離散量輸入、輸入寄存器、保持寄存器，地址從1開始。在實際存儲過程中，已經(jīng)定義存儲區(qū)域之后，還需要在Modbus中進行二次地址映射，根據(jù)自身需要進行自定義即可。例如，Modbus地址為00001-00128時，對應(yīng)的S7-1200 SMART 數(shù)據(jù)區(qū)則為Q0.0-Q15.7。

PLC與磁力啟動開關(guān)的通訊程序設(shè)計思路如下：①磁力啟動開關(guān)協(xié)議與規(guī)定。當(dāng)通訊地址不為0時，液壓站磁力啟動開關(guān)通訊方式選擇采用Modbus RTU通信協(xié)議，標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議規(guī)范包括故障查詢區(qū)、測量值顯示為只讀區(qū)域、系統(tǒng)參數(shù)區(qū)、通訊控制區(qū)。②PLC的通信程序設(shè)計。首先，置位相關(guān)點位，啟用主站初始化指令，讀取數(shù)據(jù)裝入字節(jié)，最后將存儲區(qū)數(shù)據(jù)傳送到HMI觸摸屏進行顯示與控制。

5.結(jié)論

綜上所述，結(jié)合可編程控制器技術(shù)及煤礦架空乘人裝置的實際需求，從啟停車模塊、系統(tǒng)保護模塊兩方面進行了具體軟件與程序設(shè)計，相關(guān)單位在進行架空乘人裝置設(shè)計時，可以適當(dāng)參考本文的研究內(nèi)容，相信能夠在一定程度上提升自身軟件設(shè)計水平，進而滿足編程控制需要。