（北京天地华泰矿业管理股份有限公司北京100013）
摘要：红庆河煤矿主控系统采用西门子大型400PLC，运算能力突出，处理信息时间快，容错能力高，支持DPV1通讯，采用分布式IO控制方式，可以实现远距离信号采集，通讯能力强，抗干扰效果好，非常适合煤矿的复杂环境。
关键词：400PLC；DPV1；分布式IO
Discussiononthecontrolsystemofhoistingmachineinhongqinghe
liuquan
（BeijingTiandiHuataiminingmanagementLimitedbyShareLtdBeijing100013）
Abstract:theredrivercoalminemaincontrolsystemadoptsSiemensPLClarge400deqing,computingpowerisoutstanding,fastprocessinginformation,highfaulttolerance,supporttheDPV1communications,adoptsdistributedI/ocontrolmethod,canrealizeremotesignalacquisition,communicationcapabilityisstrong,theanti-interferenceeffectisgood,verysuitableforcoalminecomplexenvironment.
Keywords:400PLC；DPV1；DistributedI/o
一.系统与通讯
1.决定地下矿山的生产的一个重要因素是矿井提升机的效率和安全性。需要尽可能地提高效率,但不能产生对人或材料的安全事故，鉴于煤矿行业的特殊性和安全性能的要求，根据德国矿山行业的要求，在立井提升系统中采用双系统核心控制器PLC，A+B系统。有别于冗余系统的控制方式。在冗余系统中任何一套系统发生故障会自动切换到另一个系统，双系统是两个系统同时工作，任何一个系统有故障都不能正常工作，这样大大提高了设备的安全性和稳定性。
2、控制器
针对红庆河煤矿提升重量和提升速度及高度和工作环境的恶劣程度及设备布置的分散性，西门子公司提出采用大型PLC416-2DP作为主站1，运行速度快，容错率高，容纳的程序多，选择CP443-5通讯模块处理通讯任务，减轻主站的工作量，通讯方式为分布式I/O系统，便于分散的子系统的通讯，每个从站采用ET200M挂在通讯模块下，采集每个分站的映像存储区，工艺控制采用FM458+EXM438构架的控制系统。
FM458是针对某些行业对自动化和工艺控制要求比较高的场合下而开发的RICS64位处理器,配套要EXM438拓展模块，有大量的输入输出点，采集增量式编码器或者绝对式。传统的PLC处理程序的方式是扫描控制，周期扫描时间是随着程序的长短和程序的结构变化而变化。FM458的程序功能块是固定扫描周期运算，程序的处理时间是固定。普通PLC的运算能力特别是浮点运算能力不强，FM458的高浮点运算能力和程序固定时间处理能力充分满足了矿山等行业对工艺控制的准确性与实时性的要求。FM458主要用来实现工艺控制，比如位置、井筒开关信号检测，行程控制，速度控制，工艺控制等。工艺控制中加入了包络线速度、阶梯速度、连续速度等速度监视；井筒开关监视，重载提升、重载下放、提升超载、滑绳、位置监视、限速保护、过卷等软件保护功能。所有的提升控制工艺均为参数输入，功能块参数化的方式给以后的维护和诊断带来了方便。FM458的CFC（连续功能图表）编程环境可生成自己的库文件，该库文件为编译后的二进制文件，不能进行反编译，彻底保护了拥有自主知识产权的算法和程序。附带EXM438扩展模块可以采集6路增量编码器的输入值，在数据采集中有高速计数功能。现场采用了三个双路输出的增量式编码器来检测位置和速度，每个编码器的一路输出接入了系统A（EXM438），另一路接入系统B（EXM438），这样每个系统都接入了三个编码器，每一路编码器通过隔离通道SU61双路接入模块中，实现两个箕斗位置检测。这三个编码器分别接在电机侧、滚筒侧以及导向轮侧，除了用于控制外，这些编码器在程序中也分别用来进行速度和位置的监测比较，防止出现安全事故。每一个编码器都装有磨损检测装置，实现对编码器的精准检测。由于编码器是增量式的，是安装在转动部件上通过钢丝绳运动带动转动部件来进行间接的测量箕斗的实际位置与速度的，钢丝绳和转动部件的相对滑动，绳长的伸缩变化都会对箕斗的实际位置产生影响。为了检测箕斗的实际位置，就需要在井筒中安装同步开关以获得箕斗的绝对位置。同步开关为磁感应开关，动作准确可靠，每个井筒开关并行接入系统A和系统B，在箕斗每次经过开关时软件中对应的位置均会被修正。
3.数据采集通道
首次采用IBA公司开发的IBABM-DP，集成2个DP通讯口，可以把采集数据信息转换为光信号与FOX-BOX通讯，FOX-BOX集成WINDOS7X64位操作系统，可以存储故障报警触发信息和设备实时运行曲线，每月会自动记录并且保存，同时可以通过CP1616卡连接PC实现监控。可以实时在线检测模拟量和数字量的输入输出，扫描周期短，检测数据误差小，很好的监视设备的运行状况，同时便于工程技术人员维护时提供准确信息。此设备支持两通道的数据传输，一路组态到S7控制器416下，传输速率为1.5Mbps,同时可以组态到传动变频器控制器D445下，传输速率12Mbps，同时检测设备输入输出状态，通过上位机可以看到电流电压实时监测。
4.其中通讯采用DP通讯，基于RS485的物理层运用，采用2芯双绞线，半全双工的通讯处理方式，在DP头的首端和终端接入220欧姆的终端匹配电阻，防止反射，通讯传输距离远，抗干扰信号强，非常适合煤矿的复杂环境。西门子公司对所有远程信号采集和控制均采用ProfibusDP通讯方式进行，在远程站放置ET200装置。这种分布式网络控制方式布线简单，拓扑扩展方便，减少了现场接线，维护方便，故障率低，为设备生产和故障处理争大量的时间。
二.工艺控制
1.位置、速度、电流三闭环控制
提升机的闭环控制是一个三闭环的运动控制系统，它是在系统A的FM458和传动中实现的。在FM458中实现的闭环控制功能有实际位置和速度检测、设定点发生器、速度控制器、位置控制器以及力矩预控制。电流控制器是在传动中实现的。闭环控制原理如图上图所示。
1.上图中的输出位置、速度和加速度的部分为设定点发生器，专门针对矿山行业开发的FGG功能块，通过输入井筒极限、最大速度、加减速度、加速度变化率、爬入和爬出距离等输入参数来实现不同的工艺要求，设定点发生器中有对加速度变化率的控制，使得加速度在整个提升周期中匀速变化，设定速度曲线全程平滑可导，这样可以减小机械设备的冲击并在人员提升时保证人员乘坐的舒适感。
2.位置控制器
位置控制器是一个比例控制器(P)。设定点发生器输出的设定位置作为位置控制器的设定值输入，通过编码器所计算的箕斗的位置作为位置控制器的实际值输入，位置控制器的输出作为附加的速度设定值。它的功能是令实际位置精确跟随设定位置，实现了真正的位置闭环，使提升机精确停车。
3.速度控制器
速度控制器是一个比例积分控制器。设定点发生器输出的设定速度作为主速度设定值，加上位置控制器输出的附加速度设定值，作为速度控制器的设定值输入，通过编码器所计算的速度值作为速度控制器的实际值输入，速度控制器输出力矩设定值。通过调整比例积分值来使实际速度跟随设定速度。
4.力矩预控制
力矩预控制是在速度控制器PI（比例和积分）输出之后叠加的力矩设定值。该设定值由载荷预置力矩和加速度预置力矩和机械预置力矩组成。
载荷预制力矩通常在主井提升机上应用。根据箕斗装载状态产生相应载重所需要的力矩，这个力矩通常按照额定装载重量设置，用来抵消载荷的力矩设定值，这个预置力矩使速度控制器使能后立刻输出几乎可以抵消载荷的力矩设定值，在PI控制器的作用下迅速建立所需力矩，使实际速度快速准确的跟随设定速度，有效减小或消除了没有预置力矩时的倒车现场，使提升机快速平稳地启动，从而提高了安全性和效率。
提升机在匀速运行时，只需克服载重差和摩擦力的力矩即可。在加速和减速时，需要比匀速段更大或更小的力矩，加速度预制力矩用于提供加速或减速的这部分力矩，这个力矩与加速度成正比，也与提升机的机械转动惯量成正比，因此在软件中用设定点发生器输出的设定加速度乘以一个系数得出。这个力矩减小了加减速时的速度跟随滞后，减小或消除了加减速段结束时的速度超调。
机械预置力矩是为了补偿两个箕斗的自重差和首尾绳的重量差。箕斗的自重差是一个常数，首尾绳的重量差用两个箕斗的位置差乘以一个系数而得出，这个系数可以用试验的方法得到。由于通常首尾绳单位长度的重量差很接近，这部分预置力矩可以不使用（系数设为零即可）。
5.电流控制器
电流控制器是在传动中实现的，FM458和传动通过波特率为12Mbps的ProfibusDP网络通讯，FM458中由速度控制器输出的设定转矩和控制字等数据通过网络传给传动部分，传动部分将实际值和状态字等数据传给FM458，电流控制器使电机输出的实际转矩跟随设定转矩。
以上五部分构成了提升机控制系统的核心，通过闭环控制提升机可以准确可靠的运行，固定扫描周期的运动控制模块FM458的应用可以提高控制的精度，从而提高整个控制系统的运行效率。
参考文献
[1]崔坚.西门子工业网络通信指南：上册，下册[M].北京:机械工业出版社，2004
[2]崔坚.西门子S7可编程控制器—STEP7编程指南[M].2版.北京:机械工业出版社，2010
[3]张春.STEP7编程语言与使用技巧[M].北京:机械工业出版社，2012
[4]西门子公司.SM150中压变频器操作说明[S]，2015
[5]崔坚.TIA博图软件—STEP7V11编程指南[M].北京:机械工业出版社，2012
基金项目
天地华泰技术创新基金资助项目（TDHTKY2017001）
作者简介
刘权（1983-），男，汉族，，助理工程师，毕业于内蒙古工业大学，从事煤矿机电技术工作。