煤礦自動(dòng)裝車系統(tǒng)中PLC的應(yīng)用及設(shè)計(jì)

張亮亮

（大同煤礦集團(tuán)雁崖煤業(yè)公司電氣區(qū)，山西 大同 037000）

引言

通過PLC實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)的自動(dòng)化已經(jīng)成為一種趨勢，利用PLC控制器構(gòu)建自動(dòng)化的控制系統(tǒng)，可以有效提升煤礦生產(chǎn)的效率，減少煤礦生產(chǎn)的易發(fā)事故，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益顯著提升。PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)可以分為硬件和軟件兩個(gè)層面，進(jìn)行自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)建，需要從兩個(gè)層面入手，逐一實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

1 PLC概述

PLC的應(yīng)用范圍十分廣泛，不論是煤礦生產(chǎn)，還是機(jī)械加工，都可以通過PLC構(gòu)建自動(dòng)化的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化［1］。PLC又稱為可編程邏輯控制器，通過編制邏輯程序，對硬件動(dòng)作進(jìn)行條件限制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)控制自動(dòng)化。PLC基于二進(jìn)制運(yùn)算，可以將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，通過運(yùn)算軟件對數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析處理，再轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)輸出。在某種程度上來說，PLC和計(jì)算機(jī)比較相似，都是由CPU、輸入、輸出、儲(chǔ)存器和電源這五個(gè)部分構(gòu)成的［2］。

實(shí)現(xiàn)PLC自動(dòng)控制，對于煤礦生產(chǎn)具有積極作用。首先，通過PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)作業(yè)自動(dòng)化，減少人力投入，相應(yīng)地就可以減少人為因素對煤礦生產(chǎn)形成的影響，提升煤礦生產(chǎn)安全程度。其次，通過PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)可以提升煤礦生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)的銜接度，實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的高效銜接，提升煤礦生產(chǎn)效率。最后，通過PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)變頻控制，根據(jù)實(shí)際工作需求自動(dòng)調(diào)整機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)，降低機(jī)械運(yùn)行過程的能耗，有助于提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

雖然PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能強(qiáng)大，并且在許多領(lǐng)域都有十分廣泛的應(yīng)用。但是，PLC系統(tǒng)相對來說也是比較脆弱的，容易受到各種內(nèi)部因素和外部因素的干擾，進(jìn)而導(dǎo)致程序執(zhí)行出現(xiàn)錯(cuò)誤，自動(dòng)化功能受到阻礙。比如，溫度因素會(huì)影響傳感器的精確度和靈敏度，電磁因素會(huì)影響數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，煤礦井下的安全因素可能導(dǎo)致PLC系統(tǒng)硬件受到破壞。所以，在構(gòu)建PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮各種影響因素，做好相應(yīng)的應(yīng)對措施，將外界因素和內(nèi)部因素的干擾降至最低，確保PLC系統(tǒng)能夠發(fā)揮出根本效用。

2 PLC自動(dòng)裝車系統(tǒng)的原理和功能

根據(jù)煤礦裝車系統(tǒng)運(yùn)用的實(shí)際情況，主要是由皮帶機(jī)、皮帶秤、給煤機(jī)、煤倉、電子軌道等部分組成的。具體工作流程為：運(yùn)煤車進(jìn)入煤倉，在電子軌道上穩(wěn)定停止，通過傳感器傳輸控制信號(hào)，輸送機(jī)和給煤機(jī)啟動(dòng)，將煤裝入運(yùn)煤車中。通過皮帶秤對煤量進(jìn)行監(jiān)測，在達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出終止指令，皮帶機(jī)和給煤機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。這一過程就實(shí)現(xiàn)單節(jié)車廂裝煤，只需重復(fù)這一過程，就可以實(shí)現(xiàn)整列運(yùn)煤車自動(dòng)裝煤。根據(jù)裝車系統(tǒng)的基本工作流程來看，進(jìn)行PLC自動(dòng)裝車系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)滿足以下幾個(gè)方面的基本功能［3］。

1）裝車具體流程中，PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)需要采集皮帶煤流流量、電子軌道負(fù)重、煤倉運(yùn)行狀態(tài)、給煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)以及皮帶機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等多個(gè)數(shù)據(jù)信息。因此，在構(gòu)建PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)，需要在這些部位上加裝適量的傳感器用于采集數(shù)據(jù)。

2）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能需要一個(gè)集中控制室，能夠?qū)鞲衅骰貍鲾?shù)據(jù)進(jìn)行全面分析處理，并根據(jù)結(jié)果分析處理發(fā)出對應(yīng)指令。構(gòu)建集中控制室，可以將自動(dòng)裝車系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的工作集中到一起，實(shí)現(xiàn)精細(xì)快速高效地控制，有利于生產(chǎn)一體化構(gòu)建。

3）PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)的各個(gè)部分具有聯(lián)鎖功能，相關(guān)操作應(yīng)該根據(jù)合理的順序進(jìn)行，不能出現(xiàn)越權(quán)操作，比如啟動(dòng)、停機(jī)等。

4）PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)建過程中，應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)三種控制手段，即可以通過PLC系統(tǒng)自動(dòng)控制、現(xiàn)場就地控制以及手動(dòng)控制這三種方式對裝車系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可靠的控制。

5）PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)該具有故障診斷、自動(dòng)報(bào)警、數(shù)據(jù)生成等一系列基本功能，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝車系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。

3 PLC自動(dòng)裝車系統(tǒng)的硬件組成和軟件設(shè)計(jì)

3.1 硬件組成

硬件組成是PLC自動(dòng)裝車系統(tǒng)構(gòu)建的基本前提，一般來說可以分為三個(gè)環(huán)節(jié)，即PLC選型、I／O模塊設(shè)計(jì)和外部接線。

PLC選型就是根據(jù)自動(dòng)裝車系統(tǒng)的構(gòu)建要求，選擇適當(dāng)?shù)墓δ苣K。由于自動(dòng)裝車系統(tǒng)主要是通過開關(guān)量控制實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)，因此需要選擇具有A／D轉(zhuǎn)換輸入模塊和D／A轉(zhuǎn)換輸出模塊的控制器，同時(shí)還需選擇相對應(yīng)的各型傳感器，諸如壓力傳感器、溫度傳感器等。具體型號(hào)可以選擇SMATIC S7－300型的PLC，結(jié)構(gòu)優(yōu)良，堅(jiān)固耐用，并且具有良好的通訊能力和擴(kuò)展能力，非常適用于煤礦自動(dòng)裝車系統(tǒng)構(gòu)建。

I／O模塊設(shè)計(jì)需要著重考慮監(jiān)控狀態(tài)量，根據(jù)實(shí)際情況而言，主要應(yīng)該監(jiān)控以下狀態(tài)量：一是對煤倉煤量利用料位進(jìn)行監(jiān)控；二是利用溫度傳感器對電機(jī)的轉(zhuǎn)子、軸承、繞組等部件的溫度進(jìn)行監(jiān)控；三是對主回路、控制電路的電壓、電流等進(jìn)行監(jiān)控；四是對給煤機(jī)、絞車、皮帶機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控；五是對集控中心的指令通過控制模塊進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

外部接線應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行，總的來說主要包括了以下幾個(gè)方面：一是電源選用，通常使用220V的交流電源作為PLC電源，為了防止供電出現(xiàn)波動(dòng)，可以設(shè)置隔離變壓器，并且需要設(shè)置獨(dú)立斷路器；二是接地處理，對于PLC而言，基本上可以不進(jìn)行接地處理，但是，如果接地條件存在，則應(yīng)該盡量進(jìn)行接地處理，確保PLC系統(tǒng)安全，提升其抗干擾能力；三是PLC可以和電流型設(shè)備連接，但不可與電壓型設(shè)備連接。尤其是在設(shè)計(jì)I／O時(shí)，需要充分考慮設(shè)備兼容性以及電流、電壓的影響；四是漏電流可能對PLC輸出造成影響，可以并聯(lián)旁路電阻到負(fù)載兩端，以此削弱PLC受到的影響。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

PLC軟件和上位軟件構(gòu)建煤礦自動(dòng)裝車系統(tǒng)的兩個(gè)重要部分，其中PLC程序編制是關(guān)鍵重點(diǎn)。

PLC程序編制應(yīng)該根據(jù)選用的PLC控制器進(jìn)行，常用的程序編制模式為梯形圖，通過逐級(jí)的邏輯程序控制，實(shí)現(xiàn)裝車自動(dòng)化。設(shè)計(jì)PLC程序的途徑有兩種：一是先進(jìn)行硬件組態(tài)，再進(jìn)行程序編制；二是先進(jìn)行程序編制，在進(jìn)行硬件組態(tài)。兩種方式各有優(yōu)劣，但是對于煤礦自動(dòng)裝車系統(tǒng)而言，先進(jìn)行組態(tài)，再進(jìn)行程序編制，可以簡化程序編制的難度。具體來說，程序編制的邏輯流程為：程序初始化→信號(hào)采集→是否自動(dòng)→（是）控制策略→是否裝滿→（是）擋板正轉(zhuǎn)→絞車工作→最后一節(jié)→（是）車滿→（是）結(jié)束程序。這就是一個(gè)完整的正常的自動(dòng)化邏輯控制程序。

上位機(jī)軟件可以使用WinCC進(jìn)行設(shè)計(jì)，優(yōu)化煤礦自動(dòng)裝車系統(tǒng)的監(jiān)控能力，以便對給煤機(jī)、皮帶機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)全面顯示。通過主界面，還可以實(shí)現(xiàn)煤礦自動(dòng)裝車系統(tǒng)的手段控制及自動(dòng)控制，根據(jù)車中煤量、煤車位置、電機(jī)狀態(tài)等對系統(tǒng)進(jìn)行控制，達(dá)成最優(yōu)工作狀態(tài)。上位機(jī)可以通過兩臺(tái)工控機(jī)進(jìn)行組合，其中之一發(fā)生故障時(shí)，另一臺(tái)可以進(jìn)行硬件冗余，確保系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定正常。通過PLC軟件程序編制和上位軟件設(shè)計(jì)，可以構(gòu)建完善的PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)，對煤礦裝車系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化構(gòu)建。

4 結(jié)語

實(shí)現(xiàn)煤礦裝車系統(tǒng)自動(dòng)化，對煤礦生產(chǎn)具有十分重要的作用。PLC是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的有效手段，在煤礦裝車自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過硬件組成和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)PLC的應(yīng)用，以此構(gòu)建自動(dòng)裝車系統(tǒng)。

［1］孫光明等.基于PLC的煤礦自動(dòng)裝車系統(tǒng)研究［J］.煤礦機(jī)械，2012（5）：20－21.

［2］鄧洪龍.自動(dòng)裝車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.氯堿工業(yè)，2010（4）：6－7.

［3］趙鵬.基于PLC技術(shù)的煤礦皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)的控制改造［J］.科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2011（10）：21－23.