基于西门子S7-1200可编程控制器和S120变频器的矸石山智能提升系统.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：刘微(1987)，男，汉族，河北任丘人，助理工程师，本科，毕业于唐山学院电气工程及其自动化专业，从事变频器和自动化产品的安装调试及维修维护工作。-38-基于西门子 S7-1200 可编程控制器和 S120 变频器的矸石山智能提升系统 刘 微 郭威华 中信重工开诚智能装备有限公司，河北 唐山 063000 摘要：摘要：煤矿矸石运输系统承担着煤矿井下掘进及采煤系统产生的矸石的运输任务。以往矸石山绞车只能由绞车司机手动控制，存在劳动强度大，停车点位不精准等各类问题。为此，文章提出了利用西门子 S7-1200PLC 做为控制系统，西门子 G120 带回馈单元变频器做为传动拖动系统的智能提升改造方案。西门子 SIMATIC S7-1200 可编程控制器具有集成的 PROFINET 接口，有强大的集成技术功能和可扩展性强、灵活度高的设计等特点。通过该PROFINET 接口可以将绞车数据实时传输到调度室，该 PLC 具备良好的可靠性，可以满足工业现场使用要求。依托变频器对电机的良好调速性能，可以满足绞车的平稳启停，无级调速，重载启动等各种复杂工况；依托回馈单元的能量回馈功能，实现绞车下放时能量回馈电网，更加节能减排。同时考虑到无人值守绞车房建设的问题，配备了自主研发的智能巡检机器人，可以 24h 不间断完成对设备的巡检工作，发现问题后，可根据不同情况向绞车控制系统发送紧急停车指令或者正常停车指令以及向调度指挥中心发送报警信息。关键词：关键词：矸石山；智能提升；可编程控制器；变频器；巡检机器人 中图分类号：中图分类号：TB4 煤矿采煤掘进系统中产生的矸石经过皮带或者立井绞车运输到地面，再由矸石山绞车将矸石统一运输到矸石山，到山顶后通过山头大架实现翻矸车自动翻矸。绞车停车位置靠后会导致不能彻底翻矸，翻矸矿车内残留矸石。绞车停车位置靠前，则会导致翻矸车越位甚至出现车轮掉道风险。而本系统控制采用双西门子 S7-1200PLC，通过采集两套增量型编码器脉冲数换算为矿车位置，实现精准位置停车。并且可以根据现场情况实现绞车依据位置的自动加速，自动减速，自动停车等功能，且能实现每个运行循环内均进行一次编码器位置校正，有效避免了误差累积。同时系统配备完善的保护监测系统，保证了系统的安全运行，并满足煤安规程要求。智能巡检机器人的加入可以保证绞车运行更加安全。1 预期目标和设计原则 预期目标为：提升系统性能，提高自动化水平，实现减人增效1。设计原则为：设备运行稳定可靠,运行状态和故障信息直观显示。设备操作便捷。2 系统硬件设计 本系统硬件系统由电器控制系统，视频监控系统，闸盘监测保护系统，震动温度保护系统以及智能巡检机器人系统组成。其中电器系统主要由绞车控制系统，变频器系统，提升信号控制系统三个主要部分以及两个脉冲增量式编码器组成。视频系统由三个摄像头，一个硬盘录像机，一个防爆显示器组成。闸盘监测保护系统由 12 个闸盘监测传感器和一个 LS PLC 组成。震动温度保护系统由 6 个震动传感器和 8 个 Pt100 温度传感器、带 485 通讯的 8 路模拟量输入采集板以及带 485 通讯的温度检测板组成。智能巡检机器人系统主要由机器人本体、基站、轨道系统和地面工作站组成。第一，绞车控制系统由两套 S7-1200 PLC 组成，一套 PLC 作为主控制器，另外一套起到监控保护作用，两套 S7-1200 PLC 之间通过 Profinet IO 完成数据交换。Profinet 作为一种基于以太网技术的工业自动化通讯协议具有高效性、可扩展性以及易于集成等优点。两套 PLC 各自接收独立的编码器脉冲，完成各自行程速度换算并相互进行比较，超过保护设定值后发出报警信息。提升机的整个运行状态还必须通过监控单元监测传输2。PLC 编程软件使用 TIA Portal.第二，变频器系统。考虑到现场高可靠性要求及中国科技期刊数据库 工业 A-39-负载存在反向制动情况，变频器采用带有能量回馈单元的西门子 S120 变频器。变频器具体由四部分组成：一个 CU320 控制单元，一个 Smart Line Module 智能调节电源模块，一个 Motor Module 单电机驱动模块和一个 TM31 Terminal Module 扩展端子模块。模块之间采用 DRIVE-CliQ 进行通讯。控制单元作用是对驱动模块进行控制，此外现场使用 STARTER 软件对变频器调试时也是通过控制单元的 PN 口进行的。智能调节电源模块的作用是当电机处于电动状态时从电网侧吸收能量，当电机处于制动状态时将能量反馈回电网侧，保证变频器直流母线电压不会持续升高。电机驱动模块的作用是驱动电动机。对于控制精度要求较高的设备可以采用有编码器的矢量控制方式，对于控制要求精度不是很高的设备可以采用无编码器矢量控制方式或者 V/F 控制方式。对于本系统可以采用无编码器矢量或者 V/F 即可满足控制要求。扩展端子模块 TM31 具有 2 路模拟量输入，2 路模拟量输出，8 路数字量输入，4 路双向数字量输入输出，2 路继电器输出，1 路温度传感器输入。通过闸盘开闸时间和变频器励磁时间的相互调整，可以给电机提供足够的初始转矩，避免重载启动溜车，还能在绞车向下运行时将重力势能通过回馈单元反馈电网。变频器采用无速度传感器矢量控制方式，现场测试可以有效满足重负荷启动严苛要求。调速方式采用模拟量给定 0-10V 方式，该电压信号由绞车控制系统提供。变频器参数配置和调试采用STARTER 软件。第三，提升 信 号控 制 系 统。该 系统 由 一套S7-1200PLC 组成。该 PLC 与绞车控制系统 PLC 之间采用 ISO-ON-TCP 协议通讯。主要负责装载指令和提升信号的发出。当绞车控制 PLC 根据编码器脉冲换算绞车到下停车位并且下停车位传感器动作后便向提升信号控制系统发送绞车到位信号。信号提升系统自动进行装载，装载完成后发送提升指令给绞车电控系统。当绞车运行到上到位点后自动停车并消除上提指令。提升信号发出下放指令。绞车再次运行到下停车点，完成一个循环。中途出现故障绞车自动执行安全制动。第四，编码器。两套编码器实现绞车控制系统的位置和速度检测，现场建议主控制编码器安装在滚筒端，监控编码器安装在电机端。考虑到编码器的使用寿命和测量精度，编码器在与机械系统连接时必须保证可靠连接并尽量同心。第五，视频监控系统。三个摄像头分别安装在绞车房，装载点以及山头翻矸位置。摄像头通过网线连接自己的就近交换机，三个交换机通过光纤连接。离硬盘录像机最近的交换机通过网线连接硬盘录像机。硬盘录像机输出信号通过 HDMI 连接线连接防爆显示器。该显示器建议安装在装载点位置。摄像头调试软件采用 iVMS-4200.第六，闸盘监测保护系统。由安装在制动器上的传感器以及配套的 LS PLC 组成。PLC 选用 XBM-DR16S为基本单元，3 个 XBF-AD08A 8 通道模拟量输入单元为扩展。传感器安装在制动器固定底座上，探头测量制动器衬板打开和关闭时的位移，传感器将 0-10mm 位移信号转换为 4-20mA 电信号。PLC 通过采集该电信号并比较制动器打开和关闭状态的位移差来计算出闸盘间隙，即闸间隙D=关闭时间隙 L1-打开后间隙 L2。该间隙煤安规程要求不能大于 2mm.当闸盘监测保护系统计算出的间隙值大于 2mm 后给绞车控制 PLC 发送故障信号并在人机界面进行显示。第七，震动温度保护系统。震动传感器安装在滚筒，减速机和电机上。每个部位水平和震动方向各安装一个，总计安装六个。震动传感器采用磁吸方式安装，安装简便。震动传感器输出 4-20mA 信号，该信号由 8 路模拟量输入板采集。再由该采集板将信号通过485 传输给主控 PLC。温度传感器按照现场要求进行安装，传感器输出信号类型为 Pt100，该信号由温度采集板采集，同样通过 485 通讯传输给主控 PLC。第八，智能巡检机器人系统。机器人本体上配备的红外温度传感器可以不间断检测闸盘和液压站油温同时可以监测滚筒轴承温度以及电机外壳温度。配备的烟雾传感器可以预防车房内发生火灾，配备红外摄像头可以采集车房图像。机器人可通过对现场视频，声音，红外设施的综合分析，评估设备的安全与否，保证设备安全运行。3 系统软件设计 绞车调速实现由控制系统 PLC 通过 CPU 本体上的模拟量输出 0 通道，地址 QW64 输出 0-10V，该模拟量信 号 接S120变 频 器 的TM31模 块（订 货 号6SL3055-0AA00-3Axx）的 Analog intput0 的 X521 端子 1 和端子 2，其中信号正接端子 1，信号负接端子 2。将端子功能设置为 Main setpoint.为了保证运行安中国科技期刊数据库 工业 A-40-全，当无启动信号时将 QW64 赋值为 0。Analog intput0上的0-10V对应变频器输出0-50Hz,控制PLC通过改变该电压值来实现改变电机驱动模块的输出频率。同时电机转速 n=60f*（1-s）/p。其中 s 为转差率，p 为电机极对数，这两个值均由电机的固有属性决定，所以改变电机的频率也就改变了电机转速，进而完成对绞车的调速。并且输出转速与输出频率成正比例关系。变频器速度给定设置如图 1 所示。图 1 变频器模拟量输入设置参数 绞车正反向运行由扩展的 SM1223 16DI/16DQ 模块上的Q13.0和Q13.1控制。正反向数字量输出点接S120变频器的 TM31 模块上的 X520 端子的 DI0，DI1 端子，并将功能设置为 inhibit positive direction 和inhibit negative direction.变频器正反转速度设置如图 2 所示。图 2 变频器输入量设置参数 S120 变频器给控制系统 PLC 反馈变频器的输出电流和输出频率，控制系统 PLC 根据采集的信号实现速度保护和过载、过流等保护。TM31 模块上的模拟量输出接口可以实现变频器输出电流和输出频率的反馈功能。Analog output0 功能设置为 Output frequency。即模拟量输出 0 设置为输出频率指示。现场调试过程中发现当变频器反转运行时，控制系统 PLC 模拟量输入模块不能正常采集到电压信号，在加入反转运行时输出值取反指令后，控制系统 PLC 可以正常监测到变频器输出频率反馈。Analog output1 功能设置为Absolute actual current smoothed。即模拟量输出 1设置为电流指示。变频器模拟量频率反馈和电流反馈设置如图 3 所示。图 3 变频器模拟量输出设置参数 人机交互采用 15 寸显示屏。通过组态中的S7-1200 驱动读取控制 PLC 内的 DB12 数据块。进而在界面上显示绞车运行速度，变频器运行电流，绞车当前位置等状态信息，以及过卷保护，过放保护，松绳保护，超速保护等故障保护信息。通过脚本程序完成绞车出现故障自动翻页到故障界面。摄像头调试过程中通过使用 iVMS-4200 软件完成对摄像头设定 IP 地址，调整摄像头时间，修改对应摄像头名称。智能巡检机器人通过视频，红外热释，声音采集等方式实时监测电机、减速机、滚筒、变频器等设备的运行情况。并通过基站向绞车电控发送减速或者停车指令。依托矿方环网可将数据和视频传输到调度指挥中心。巡检机器人现场运行情况如图 4 所示。图 4 巡检机器人现场运行情况 4 结语 经过此次智能提升改造，提升系统使用安全性能显著提高，绞车停车位置更加精准，劳动强度显著降低。符合煤矿减人少人的要求，并可以节约人力成本。从根本上避免了由于人为操作失误导致的事故发生。中国科技期刊数据库 工业 A-41-闸盘监测保护系统保证了盘型闸的安全可靠。震动温度监测系统保证了机械系统的安全可靠。视频系统的加入让整个系统运行情况更加直观，更加安全，方便及时发现突发情况。巡检机器人的加入真正实现了无人值守。参考文献 1吴水章.西门子 PLC 在矸石山绞车自动化升级改造中的应用J煤矿机械,2019.40(11):173-175 2宁江海.PLC 控制系统在竖井提升机电控系统改造中的应用研究J机械管理开发,2019,34(2):239-240,243