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[摘 要]本文介绍了大雁集团雁南煤矿主井S7-400系统构成及功能，提出了PLC升级改造方案，阐述了升级后PLC系统的特点及功能，具有一定的实践和理论指导意义。
[关键词]矿井；提升机；控制系统；原理
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）09-0057-01
大雁集团雁南煤矿原S5-155U电控系统由于产品元器件老化现象严重，故障率高，经常出现死机，无法检测排除，导致提升机性能不稳定。经反复比较，最终确定采用北京金自天正公司的方案，进行升级改造。改造后的系统稳定可靠，从而降低故障发生率，提高生产效率，经济效益显著。
1 提升机现状
提升机技术数据——井筒：主井井筒直径Φ6m；提升高度：365m；提升内容：提煤、检修；提升机控制方式：自动、半自动、手动、点动；提升运行参数：最大提升速度：10m/s；加减速度：1m/s2，减速度：0.8m/s2；液压站压力：16MPa.提升机电控系统由西门子公司提供，传动系统采用16位处理器的SIMADYN-D系统，自动化系统采用S5系列PLC装置。
2 主井提升机控制系统的构成及功能
雁南煤矿主井提升机控制系统的核心部分为SIMSTIC S5-155U PLC及其I/O回路。低压配电柜为所有控制系统提供电源；井筒信号系统用于装卸载系统采用S5-115E PLC控制；高压系统向主回路整流变压器提供高压电源；滤波补偿对电网功率因数进行补偿，同时用于电网谐波减幅，避免了由于小电流谐波放大引起的并联谐振；冷却通风系统用于主电机和整个控制系统的冷却，使整个提升机电气部分保持恒温工作；监测回路通过程序逻辑控制对报警信号和工作信号进行处理，参与提升机的安全控制；安全回路由提升机所有保护、闭锁和急停信号相串联构成一个常开触点回路和一个常闭触点回路，参与提升机紧急情况下的制动；数字式提升机控制器，将运行终端距离转变为参与提升机速度控制的模拟电压值，实现提升机运行终端的自动减速；闭环控制实现以下功能：①手动和自动操作的速度基准值；②谐波函数发生器；③速度闭环控制；④转矩参考值，包括最大值的限制；⑤定子电流闭环控制；⑥COSj控制；⑦触发装置移相范围的电流控制；⑧定子和励磁回路的触发装置；⑨控制信号的调整。
3 PLC升级改造方案的提出
雁南煤矿主井提升机系统2005年底投入生產后，S5-155U PLC暴露出以下问题：（1）产品元器件老化现象严重，导致提升机性能不稳定；（2）PLC系统控制板处理故障影响生产的时间很大；（3）库存备件不全，购置备件进货周期长。
S5-150UPLC运行中存在着上述隐患，为了确保主井提升机安全运行和矿井的正常生产，雁南煤矿决定采用西门子S7-400 PLC对主井提升机S5-150U PLC控制系统进行升级改造，提供一套完整的传动及自动化系统，其核心控制装置采用目前广泛应用的西门子64位SIMADYN-D传动控制系统及S7-PLC装置，组成新的主井提升机电控系统，并可方便的与原系统互为切换运行。
4 PLC升级前的构成及配置
1）控制部分。升级改造前的S5-155U PLC由主机架、3个扩展架和4个ET200M从站组成，主要包括基板、电源、CPU、通讯、接口、内存、数字量输入、数字量输出等模块。S5-155U PLC采用PG720编程器，采用STEP5专用编程语言进行编程，三种编程方式为：语句表STL、梯形图LAD和功能图CSF。S5-155U PLC对提升机系统的运行进行工艺控制做故障诊断，用于提升机、井筒信号系统、装载系统、卸载系统以及操作与报警信号的控制和闭锁，并通过电缆与电脑相连显示故障及报警事件的记录。
2）高压供电部分。高压开关柜利用原设备，开关合/分操作可分别在原S5-PLC系统或S7-PLC系统中进行，两套系统不能同时操作。S7-PLC系统采用输出继电器无源接点，作为高压开关的合闸及分闸指令。原高压柜提供给S5-PLC的开关已合信号、故障信号、储能信号也都要引入S7-PLC系统，均为无源接点。如辅助接点不足，采用在高压柜中增加继电器的方式进行扩展。
3）整流部分。主整流变压器及励磁变压器利用原有变压器。加装一套切换柜，以便新老系统倒换，定子整流变压器接入6台三相倒换开关分别装在1台倒换开关柜内，励磁整流变压器接入1台三相倒换开关，励磁变频器输出侧加一台两相倒换开关，同时装入1台倒换开关柜，变频器输出侧加1台倒换开关柜内置两台三相倒换开关。当1套变频器故障时，电机两套绕组串接，由另外1套变频器单独供电，实现电机的全载半速运行。所有的倒换开关都要加入闭锁引至双方的控制系统。切换开关均设置辅助接点，分别引入老系统及新系统的闭锁回路中。
4）低压供电部分。动力变压器给原低压开关柜供电，分别用于原提升系统内部辅助设备和系统控制电源供电。在此基础上乙方提供2台低压开关柜，配置进线开关及对新增液压制动系统、传动装置、自动化系统提供电源。设有2路备用回路。同步电机的冷却风机、机房起重机、机房照明、机房空调等设备的供电由原低压开关柜供电。冷却风机的启动/停止操作由S7-PLC提供继电器干接点进行控制，S5系统和S7系统可分别进行操作。
5）UPS电源。增加一台UPS电源，作为交流同步机传动控制系统电源、PLC系统供电电源、井筒开关电源。为保证提升电控系统失电后，不造成系统数据混乱，设置在线式UPS电源，容量为6KVA/20Ah。
5 PLC升级后的构成、配置及控制原理
5.1 PLC升级后的构成及配置。升级改造后的S7-400PLC由一个主机架、两个扩展机架和三个ET200M从站组成，主要包括基板、电源、CPU、通讯、接口、内存、数字量输入、数字量输出、模拟量输入等模块。在S7-400PLC与打印机之间新增上位机一台，上位机选用研华IPC-610，P4/512M/2.8G工控机，打印机为HP1020，软件环境为中文WINDOWS-XP，监控软件选用西门子最新工业监控软件WINCC6.0。
5.2 S7-400PLC控制原理。S7-400PLC实时监测和控制整个提升系统各个环节的运行状态，通过软件逻辑，输出控制整个提升系统各个环节的的控制信号。S7-400PLC检测到外部故障信号后，立即对故障进行分类和处理，闭锁提升机，动作安全回路和闸控回路。提升机正常运行状态下，S7-400 PLC则按照提升机工艺用户程序要求，向整个提升系统各个环节发出运行指令，实现包括提升机、装载站、卸载站在内的整个提升系统的自动运行。
6 PLC升级后的功能及特点
6.1 PLC升级后的功能。⑴在硬件和软件方面S7-400PLC与S5-155UPLC完全兼容，S7可直接替代S5，新系统具备原系统全部功能。⑵S7软件可在普通PC机中文WINDOWS XP环境下运行，具有全中文菜单和帮助功能，由此，新增上位机不但实现了提升机系统监控站的功能，而且具备了S7编程器的功能，可在线对用户程序进行监视和编程。⑶上位机监控画面可实时动态显示设备所有I/0点的状态，打印并保存提升系统一年的故障及报警信息。
6.2 PLC升级后的特点。与S5-150U PLC相比，S7-400PLC具有以下特点：（1）易用性强，系统软件全中文环境运行，突破了S5系统使用专用编程和专用S5-DOS系统的禁锢。（2）人机界面强、操作灵活方便。（3）系统结构简单紧凑，参数整定快捷方便。（4）具有可靠性、稳定性、免维护性。
7 运行效果及经济效益
主井提升机新系统投入运行后，系统功能均达设计要求，S7-400PLC运行速度快，功能强，结构简单，故障点少，维护方便，配件购置费用低，自诊断功能强，大大提高了主提升系统的管理水平。
[关键词]矿井；提升机；控制系统；原理
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）09-0057-01
大雁集团雁南煤矿原S5-155U电控系统由于产品元器件老化现象严重，故障率高，经常出现死机，无法检测排除，导致提升机性能不稳定。经反复比较，最终确定采用北京金自天正公司的方案，进行升级改造。改造后的系统稳定可靠，从而降低故障发生率，提高生产效率，经济效益显著。
1 提升机现状
提升机技术数据——井筒：主井井筒直径Φ6m；提升高度：365m；提升内容：提煤、检修；提升机控制方式：自动、半自动、手动、点动；提升运行参数：最大提升速度：10m/s；加减速度：1m/s2，减速度：0.8m/s2；液压站压力：16MPa.提升机电控系统由西门子公司提供，传动系统采用16位处理器的SIMADYN-D系统，自动化系统采用S5系列PLC装置。
2 主井提升机控制系统的构成及功能
雁南煤矿主井提升机控制系统的核心部分为SIMSTIC S5-155U PLC及其I/O回路。低压配电柜为所有控制系统提供电源；井筒信号系统用于装卸载系统采用S5-115E PLC控制；高压系统向主回路整流变压器提供高压电源；滤波补偿对电网功率因数进行补偿，同时用于电网谐波减幅，避免了由于小电流谐波放大引起的并联谐振；冷却通风系统用于主电机和整个控制系统的冷却，使整个提升机电气部分保持恒温工作；监测回路通过程序逻辑控制对报警信号和工作信号进行处理，参与提升机的安全控制；安全回路由提升机所有保护、闭锁和急停信号相串联构成一个常开触点回路和一个常闭触点回路，参与提升机紧急情况下的制动；数字式提升机控制器，将运行终端距离转变为参与提升机速度控制的模拟电压值，实现提升机运行终端的自动减速；闭环控制实现以下功能：①手动和自动操作的速度基准值；②谐波函数发生器；③速度闭环控制；④转矩参考值，包括最大值的限制；⑤定子电流闭环控制；⑥COSj控制；⑦触发装置移相范围的电流控制；⑧定子和励磁回路的触发装置；⑨控制信号的调整。
3 PLC升级改造方案的提出
雁南煤矿主井提升机系统2005年底投入生產后，S5-155U PLC暴露出以下问题：（1）产品元器件老化现象严重，导致提升机性能不稳定；（2）PLC系统控制板处理故障影响生产的时间很大；（3）库存备件不全，购置备件进货周期长。
S5-150UPLC运行中存在着上述隐患，为了确保主井提升机安全运行和矿井的正常生产，雁南煤矿决定采用西门子S7-400 PLC对主井提升机S5-150U PLC控制系统进行升级改造，提供一套完整的传动及自动化系统，其核心控制装置采用目前广泛应用的西门子64位SIMADYN-D传动控制系统及S7-PLC装置，组成新的主井提升机电控系统，并可方便的与原系统互为切换运行。
4 PLC升级前的构成及配置
1）控制部分。升级改造前的S5-155U PLC由主机架、3个扩展架和4个ET200M从站组成，主要包括基板、电源、CPU、通讯、接口、内存、数字量输入、数字量输出等模块。S5-155U PLC采用PG720编程器，采用STEP5专用编程语言进行编程，三种编程方式为：语句表STL、梯形图LAD和功能图CSF。S5-155U PLC对提升机系统的运行进行工艺控制做故障诊断，用于提升机、井筒信号系统、装载系统、卸载系统以及操作与报警信号的控制和闭锁，并通过电缆与电脑相连显示故障及报警事件的记录。
2）高压供电部分。高压开关柜利用原设备，开关合/分操作可分别在原S5-PLC系统或S7-PLC系统中进行，两套系统不能同时操作。S7-PLC系统采用输出继电器无源接点，作为高压开关的合闸及分闸指令。原高压柜提供给S5-PLC的开关已合信号、故障信号、储能信号也都要引入S7-PLC系统，均为无源接点。如辅助接点不足，采用在高压柜中增加继电器的方式进行扩展。
3）整流部分。主整流变压器及励磁变压器利用原有变压器。加装一套切换柜，以便新老系统倒换，定子整流变压器接入6台三相倒换开关分别装在1台倒换开关柜内，励磁整流变压器接入1台三相倒换开关，励磁变频器输出侧加一台两相倒换开关，同时装入1台倒换开关柜，变频器输出侧加1台倒换开关柜内置两台三相倒换开关。当1套变频器故障时，电机两套绕组串接，由另外1套变频器单独供电，实现电机的全载半速运行。所有的倒换开关都要加入闭锁引至双方的控制系统。切换开关均设置辅助接点，分别引入老系统及新系统的闭锁回路中。
4）低压供电部分。动力变压器给原低压开关柜供电，分别用于原提升系统内部辅助设备和系统控制电源供电。在此基础上乙方提供2台低压开关柜，配置进线开关及对新增液压制动系统、传动装置、自动化系统提供电源。设有2路备用回路。同步电机的冷却风机、机房起重机、机房照明、机房空调等设备的供电由原低压开关柜供电。冷却风机的启动/停止操作由S7-PLC提供继电器干接点进行控制，S5系统和S7系统可分别进行操作。
5）UPS电源。增加一台UPS电源，作为交流同步机传动控制系统电源、PLC系统供电电源、井筒开关电源。为保证提升电控系统失电后，不造成系统数据混乱，设置在线式UPS电源，容量为6KVA/20Ah。
5 PLC升级后的构成、配置及控制原理
5.1 PLC升级后的构成及配置。升级改造后的S7-400PLC由一个主机架、两个扩展机架和三个ET200M从站组成，主要包括基板、电源、CPU、通讯、接口、内存、数字量输入、数字量输出、模拟量输入等模块。在S7-400PLC与打印机之间新增上位机一台，上位机选用研华IPC-610，P4/512M/2.8G工控机，打印机为HP1020，软件环境为中文WINDOWS-XP，监控软件选用西门子最新工业监控软件WINCC6.0。
5.2 S7-400PLC控制原理。S7-400PLC实时监测和控制整个提升系统各个环节的运行状态，通过软件逻辑，输出控制整个提升系统各个环节的的控制信号。S7-400PLC检测到外部故障信号后，立即对故障进行分类和处理，闭锁提升机，动作安全回路和闸控回路。提升机正常运行状态下，S7-400 PLC则按照提升机工艺用户程序要求，向整个提升系统各个环节发出运行指令，实现包括提升机、装载站、卸载站在内的整个提升系统的自动运行。
6 PLC升级后的功能及特点
6.1 PLC升级后的功能。⑴在硬件和软件方面S7-400PLC与S5-155UPLC完全兼容，S7可直接替代S5，新系统具备原系统全部功能。⑵S7软件可在普通PC机中文WINDOWS XP环境下运行，具有全中文菜单和帮助功能，由此，新增上位机不但实现了提升机系统监控站的功能，而且具备了S7编程器的功能，可在线对用户程序进行监视和编程。⑶上位机监控画面可实时动态显示设备所有I/0点的状态，打印并保存提升系统一年的故障及报警信息。
6.2 PLC升级后的特点。与S5-150U PLC相比，S7-400PLC具有以下特点：（1）易用性强，系统软件全中文环境运行，突破了S5系统使用专用编程和专用S5-DOS系统的禁锢。（2）人机界面强、操作灵活方便。（3）系统结构简单紧凑，参数整定快捷方便。（4）具有可靠性、稳定性、免维护性。
7 运行效果及经济效益
主井提升机新系统投入运行后，系统功能均达设计要求，S7-400PLC运行速度快，功能强，结构简单，故障点少，维护方便，配件购置费用低，自诊断功能强，大大提高了主提升系统的管理水平。