成梦玲 庞科旺 司玉华

(江苏科技大学电子信息学院)

矿井提升机在矿上担负着运输矿石、设备和矿山人员的任务，是矿山的主要设备之一，它的可靠性和安全性对矿山的生产起着重要的作用，目前我国大多数提升机采用继电器－接触器控制方式，这种系统控制繁琐、安全性低并且效率低，直接影响到矿山生产。

当今社会的计算机、通信及智能控制发展越来越快，研究现场总线在矿井提升机控制系统中的应用是解决提升机控制系统问题的重要途径。现场总线技术的应用，比传统模拟信号控制的系统具有更高的数字化和智能化的特点，使系统可靠性和准确性都有所提高，其中Profibus－DP现场总线［1］是全数字化、专为自动控制系统设计的通信网络，使用它可以将系统中分散的设备进行集中管理，提高数据传输率，并且采用1条电缆线挂接多个设备的形式，不仅便于系统的扩展，还可节省了设备的安装、维护。系统采用主从式的配置完成数据通讯，主站与从站都选用西门子的S7－300 PLC，通过Profibus现场总线完成PLC的通讯以及与上位机的通讯，因此，Profibus－DP现场总线在矿井提升机控制系统的应用将使系统更加简便、安全与可靠。

1 Profibus－DP总线控制系统结构

矿井提升机采用Profibus－DP现场总线控制系统［2］，其网络拓扑结构图如图1所示，系统可分为管理层、控制层和设备层，各个层次介绍如下。

图1 提升机网络拓扑结构

(1)管理层。由工控计算机组成，通过设备层、控制层将现场信息送到管理层进行监控，使系统实时监控提升机的状态、报警显示等。

(2)控制层。由PLC1与PLC2组成冗余系统，PLC1实现行程控制，PLC2实现控制保护，它们利用DP端口，通过屏蔽双绞线连接，构成Profibus－DP网络，负责现场数据采集并向管理层发送相关信息，同时执行设备层的控制命令、系统的参数设定。

(3)设备层。由变频器、信号系统PLC以及现场信号输入设备组成，它们作为系统的从站，完成信号的采集。

2 控制系统设计

矿井提升机控制系统包括上位机监控系统、主控系统、驱动系统、制动系统和信号系统组成，各个系统介绍如下。

(1)上位机监控系统。以上位机为核心，监控现场工作状态，通过上位机从现场采集数据，并将数据传输到人机界面中显示出来，显示包括系统状态、速度曲线、当前故障报警、故障记忆等，并且统计提升机的提升量，产生报表。上位机在系统中起到监视控制整个提升机系统工作过程的作用。

(2)主控系统。主控系统由控制PLC和控制保护PLC构成的冗余系统组成，都采用西门子S7－300 PLC，控制PLC作为行程控制系统，完成提升机系统的通讯控制、信号处理及行程控制，产生S形速度给定曲线;控制保护PLC作为提升机操作保护系统，根据外部输入的模拟量、数字量和脉冲等信号完成提升机的启动、运行、停车等逻辑控制与保护。

(3)驱动系统。采用变频调速器6SE70完成对提升机的调速功能，主要是响应现场数据，接受操作系统的命令并执行相应的调速任务，进行电压、电流检测和显示，通过软件设定所需的S形速度曲线，完成提升机的控制与运行状态监视。

(4)制动系统。制动系统由液压站与盘式制动器构成，其作用是在提升机减速停车或紧急制动时，刹住卷筒，使提升机安全制动，迅速停车，在提升机静止时进行液压抱闸，其可靠性直接影响提升机的安全运行。

(5)信号系统。根据提升机的工作状况，井口和井底提升容器位置状态，人员、设备是否准备就绪向提升机控制系统发出动作信号，当井下信号根据需要输入相应信号后，通过远程系统将信号发送到井口信号台，井口根据信号提示发出相应信号，当2个信号一致时，有效信号由井下信号台传送到司机信号台，由司机在操作台进行控制。

3 系统通讯配置

提升机系统的通讯［3-4］主要有主－从PLC间的通讯、PLC与变频器的通讯以及上位机与PLC的通讯。

(1)上位机与PLC的Profibus通信。计算机中安装通讯卡CP5611与西门子S7－300 PLC集成MPI接口通过电缆线构成MPI通讯系统，在工控计算机上打开组态软件建立WinCC项目，在变量管理器中添加通讯驱动程序SIMATIC S7 Protocol Suite，在其MPI下建立PLC的连接并设置MPI地址参数，PLC中地址必须与MPI设置的保持一致，再在组态好的PLC下设置标签，将WinCC与PLC间要通讯的数据定义标签并打开WinCC图形编辑器，在图形编辑器进行绘图，将现场设备与绘图中对象相连，即可完成上位机的监控及其与PLC的通讯。

(2)PLC与PLC的Profibus通信。控制PLC与控制保护PLC都采用带有DP接口的CPU 315－2DP，将 PLC主站和从站通过网络线、中继设备RS485、终端适配设备相连，组成Profibus的主－从通讯，在STEP 7中将其总线地址设置成2和6，并对硬件进行配置，将配置好的硬件进行下载，使2个PLC构成总线网络系统进行通讯。

(3)PLC与变频器6SE70的Profibus通信。主控PLC、控制保护PLC组成的控制系统与变频器6SE70采用主－从通讯［5］，主控PLC、控制保护的冗余系统PLC作为主站，变频器6SE70作为从站，将其Profibus网络地址设为4。PLC与6SE70总线通讯数据包括参数区PKW与过程数据区PZD，在它们进行通讯时，首先确认变频器的状态字，使变频器工作状态正常，再根据控制字设定频率值，由PLC负责对信息的发送、读取状态的监控，同时读取通讯信息。

PLC与变频器的通讯如图2所示，由变频器由传送至PLC用于读变频器的数据在参数P734.1～P734.10中设置，传送的数据包括状态字、电机电流和变频器的实际速度等;PLC传送至变频器用于写变频器的数据存放在K3001～K3016的16个字节中，包括控制字、速度给定等数据，只要将这些字节与变频器的启动、停止控制字相连即可完成通讯。

图2 PLC与6SE70变频器的通讯

4 提升机控制系统软件设计

提升机系统软件设计［6-7］有上位机和下位机的设计，上位机软件的设计采用西门子WinCC 6.0实现，接收下位机的信息并在工控机上显示实际运行情况，对提升机进行监控;下位机软件的设计采用西门子S7－300 PLC的STEP 7 V5.3编程软件实现，可以设定提升机运行参数、查询故障及在线监测，并将现场信息送给上位机实现监控。

4.1 上位机软件设计

上位机选用西门子的工控计算机，组态软件选用西门子WinCC 6.0，计算机中安装通讯卡CP5611与西门子S7－300 PLC集成MPI接口通过电缆线构成MPI通讯系统，在工控计算机上打开组态软件建立WinCC项目，在变量管理器中添加通讯驱动程序SIMATIC S7 Protocol Suite，在其MPI下建立PLC的连接并设置MPI地址参数，PLC中地址必须与MPI设置的保持一致，再在组态好的PLC下设置标签，将WinCC与PLC间要通讯的数据定义标签并打开WinCC图形编辑器，在图形编辑器进行绘图，将现场设备与绘图中对象相连，即可完成上位机的监控及其与PLC的数据交换。

上位监控系统主要用于显示提升过程、主要参数的数字量以及提升机运行情况，监控画面由控制系统结构图、系统状态图、电流曲线图、速度曲线图、液压系统图、故障判断及诊断、故障报警及故障保存、安全回路、报表管理和系统参数设置，可实现对提升机控制系统的提升容器位置、速度曲线、运行电流、液压站、电机等运行状态的监控，还能通过故障判断画面对故障报警信息找出故障原因，对矿山提升产量、提升次数等数据进行报表统计，提高了矿山的生产效率及提升机系统的安全可靠性。

4.2 下位机软件设计

(1)S7－300 PLC的软件配置。系统的S7－300 PLC采用编程软件STEP 7完成编程，主要由用户程序组织块OB、功能块FB、功能FC和数据块DB组成，FB和FC是OB子程序，系统的PLC程序采用了组织块OB1、计数模块，各个组织块流程如图3、图4所示。其中OB1为循环运行组织块，用来存放用户程序，程序需要执行时在OB1中调用;计数模块子程序流程图如图4所示，系统利用计数模块子程序读取提升机实际脉冲值，对其计算得到提升机的位置及速度。

图3 OB1程序流程

图4 计数模块子程序流程

(2)程序结构的设计。系统PLC程序的OB1是用户主程序部分，提升机系统主程序流程图如图5所示，在系统进行初始化后，检测是否有开车信号，若有信号，进行开车准备并按照速度曲线运行，完成速度行程的计算;系统未检测到开车信号，对系统进行安全检查、故障检测并处理，使其能正常运行，完成提升工艺。

图5 提升机主程序流程

5 结语

将Profibus－DP现场总线应用到矿井提升机控制系统中，以智能化和数字化的控制设备为网络节点，通过现场总线通讯完成提升机的数据交换，使系统的性能稳定性、安全可靠性和生产效率都有所提高，简化了系统，降低了故障率，同时也克服了数据传输受硬件影响的缺点，并且可以监控系统的运行。Profibus－DP现场总线的应用将为矿山带来较大的控制便利和经济效益。

［1］ 王慧锋，何衍庆.现场总线控制系统原理及应用［M］.北京:化学工业出版社，2006.

［2］ 冯建民，王贵锋.PROFIBUS－DP在矿井提升电控系统的应用［J］. 电气传动自动化，2008，25(5):40-43.

［3］ 罗金盛.BUS－DP总线在提升机控制系统中的应用研究［J］.金属矿山，2009(11):108-213.

［4］ 安连祥，程 乐.基于PROFIBUS－DP的提升机自动化系统的设计［J］. 金属矿山，2010(8):725-729.

［5］ 阳胜峰.西门子S7－300/400 PLC技术学习［M］.北京:机械工业出版社，2011.

［6］ 陈怀忠.PROFIBUS－DP现场总线在矿井提升电控系统的应用［J］. 煤矿机械，2006，27(9):94-98.

［7］ 李利青，李爱旺.PLC在矿井提升机控制系统中应用［J］.煤，2007，16(3):65-70.