采煤機PLC電控系統(tǒng)設計

張帥

（西山晉興能源公司斜溝煤礦，山西太原033601）

引言

PLC即（Programmable logic Controller），是一種可編程的機械設備電子控制器，通過對PLC的使用可以實現(xiàn)大型機械設備的自動化操作與運行，PLC電控系統(tǒng)是通過計算機控制的運算程序，將設定程序保存在系統(tǒng)存儲器中，然后通過人工操作指令，實現(xiàn)對機械設備的操作和控制。隨著我國煤炭行業(yè)設備的不斷更新和發(fā)展，機械化、自動化、智能化成為煤炭行業(yè)的發(fā)展趨勢，在采煤機自動化過程中，PLC電控系統(tǒng)就是實現(xiàn)采煤機自動化的重要技術支撐，本文以煤礦作業(yè)中所使用的某型號采煤機為例，設計PLC電控技術在采煤機作業(yè)中的應用方案，初步設計PLC電控系統(tǒng)的功能和操作，為采煤自動化提供一定的實踐支持。

1 采煤機電控系統(tǒng)的結(jié)構特點與設計要求

1.1 采煤機電控系統(tǒng)結(jié)構特點

煤礦中所用采煤機的電控系統(tǒng)主要由電控箱、高壓箱、分線盒、遙控器以及各部分的功能電機組成，采煤機PLC電控系統(tǒng)的核心部位位于電控箱內(nèi)部，主要包括主控系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、接觸器、隔離開關、顯示器、操作面板以及電壓、電流的調(diào)控器等功能組件。電控箱主要通過對系統(tǒng)功能、指令的操作來實現(xiàn)對采煤機的指揮和控制，是采煤機PLC電控技術的核心。高壓箱內(nèi)部主要分布有主變壓器、變頻器、牽引接觸器等元件，對采煤機進行變頻牽引，完成電控箱對采煤機的指令。分線盒主要是采煤機與PLC電控系統(tǒng)連接的各部分線路，遙控器及其他功能電機都是PLC系統(tǒng)對采煤機實現(xiàn)控制的輔助設施。

1.2 采煤機電控系統(tǒng)設計要求

采煤機電控系統(tǒng)的設計要求主要是通過對采煤機電控系統(tǒng)的設計，實現(xiàn)采煤機的自動化功能，如采煤機的啟動、停止以及遙控操作；采煤機的變頻牽引，實現(xiàn)采煤機采煤方向的控制和選擇，并控制采煤機采煤的勻速運轉(zhuǎn)；采煤機對煤層的切割控制，包括切割部位的升降等動作控制；切割電機的電流、電壓保護以及其他保護裝置；其次，還需要對采煤機在正常運轉(zhuǎn)過程中各類參數(shù)進行顯示、儲存并生成操作日志等；另外，還需要對煤礦采煤層的工作環(huán)境進行適時監(jiān)測，如瓦斯報警、斷電保護等。

基于采煤機的功能和作業(yè)要求使采煤機在作業(yè)中必須實現(xiàn)啟動、牽引、采煤、切割、勻速運轉(zhuǎn)、升降等動作，還需在作業(yè)過程中對周圍環(huán)境以及作業(yè)過程進行詳細的監(jiān)測和記錄，因此采煤機電控系統(tǒng)必須實現(xiàn)這些功能，在電控系統(tǒng)的設計方面也應當滿足這些基本功能。

2 采煤機PLC電控系統(tǒng)設計方案

采煤機PLC電控系統(tǒng)設計之前，需要根據(jù)采煤機的型號對PLC電控系統(tǒng)性能進行選擇，不同的采煤機匹配不同的PLC電控系統(tǒng)，采煤機的PLC電控系統(tǒng)主要由主管理器即PLC系統(tǒng)、變頻器、變頻器控制模塊、遙控器及遙控器控制模塊、接收器及接收器控制模塊、數(shù)據(jù)編碼傳送模塊以及電流電壓、瓦斯監(jiān)控、顯示器等模塊組成，其中PLC電控系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，其他系統(tǒng)為輔助裝置。

2.1 采煤機PLC系統(tǒng)運行原理

采煤機PLC系統(tǒng)的控制原理即通過采煤機PLC系統(tǒng)的各個組件，形成遠程回路，通過前置電源開關將系統(tǒng)啟動，之后系統(tǒng)進入開機自檢狀態(tài)，對整個系統(tǒng)的漏電、絕緣等隱患進行檢測[1]。開機后，PLC系統(tǒng)通過開關和所存儲的數(shù)據(jù)對采煤機各方面功能發(fā)送指令信號，所有指令通過PLC中控系統(tǒng)輸出，通過對采煤機接觸器的控制啟動并操作采煤機進行切割、采煤、牽引、升降等動作，采煤機司機通過無線遙控對采煤機進行操作時，操作按鍵信號也可通過無線遙控器對PLC系統(tǒng)傳輸，經(jīng)過PLC系統(tǒng)運算分別生成不同的操作指令，以控制采煤機的作業(yè)。采煤機操作人員可以通過中控臺和遙控器實現(xiàn)對采煤機的遠程控制和指揮，通過操作按鈕實現(xiàn)對采煤機方向、力度、開啟、停止等方面的控制，做到人機有效互動。

2.2 采煤機PLC系統(tǒng)功能設計

采煤機PLC系統(tǒng)性能的設計和選擇就是需要設計人員通過對采煤機型號的了解和掌握，選擇合適的PLC型號與合適的輸入、輸出點。從而對采煤機系統(tǒng)指令的設計進行合理分配和布置，如圖1、圖2所示，本設計開關總數(shù)為25個，其中開關輸出點9個，開關輸入點16個，分別對采煤機的行駛、牽引、供電、升降、加速、減速、變頻、松閘等不同功能和作業(yè)情況進行控制，實現(xiàn)以PLC系統(tǒng)為核心的采煤機自動化運行操作[2]。

圖1 PLC開關量輸出

圖2 PLC開關量輸入

本設計選用的開關模塊為GT90-30PLC，參考該開關模塊的設備手冊，根據(jù)設計要求，參照開關特點，進行詳細的參數(shù)設定。在系統(tǒng)設計中需要滿足對設備運行溫度的檢測和控制，因此在本設計中，將采煤機的切割部位與牽引部位的電動機與電阻傳感器相連，增加了變壓器溫度檢測和保護的功能。

另外，在PLC電控系統(tǒng)電源的選擇和使用方面，需要根據(jù)PLC系統(tǒng)的CPU功率來進行，本設計選用的PLC電控系統(tǒng)CPU為350型，350型CPU可以提供的開關數(shù)量為4 096個，具備10 kB的寄存器和80 kB的用戶存儲器，能夠?qū)崿F(xiàn)閃存，運行速度較快，且支持SNP協(xié)議，通過電源與CPU的連接，可實現(xiàn)通信接口與觸摸式顯示屏的配置，一定程度上增加了人機互動的便捷性[3]。

2.3 采煤機PLC系統(tǒng)功能分配

采煤機PLC電控系統(tǒng)的程序主要由一個主程序和多個子程序構成，子程序與主程序之間設置良好的數(shù)據(jù)接口和算法，通過對以下不同數(shù)字指令的輸入與人機互動實現(xiàn)對采煤機的遠程控制和指揮（如表1所示）。

表1 采煤機PLC控制的I/0分配

在實際的操作和控制方面，操作人員只需要根據(jù)PLC系統(tǒng)設計的相關簡化指令進行，如I0.1即表示采煤機左切割電機啟動，I0.2則表示采煤機左切割電機的停止等，不同的數(shù)字操作指令代表不同的采煤機操作動作，操作人員只需掌握采煤機的運作原理和PLC系統(tǒng)的各指令說明即可實施遙控操作，實現(xiàn)采煤機的自動化作業(yè)。

3 采煤機PLC電控系統(tǒng)程序的應用

采煤機PLC電控系統(tǒng)可以實現(xiàn)對采煤機電動機的啟動、保護、輸出、開關以及信息采集與處理等功能，PLC系統(tǒng)通過一定規(guī)則的算法實現(xiàn)對采煤機恒定功率的控制，從而使采煤機在前后左右的作業(yè)過程中實現(xiàn)穩(wěn)定操作，提高采煤的效率和煤層的穩(wěn)定系數(shù)。

在PLC電控系統(tǒng)的設計中，通過對采煤牽引機恒定功率的設計，利用PLC電控系統(tǒng)對采煤機的恒定功率、電流以及電壓、牽引保護等方面進行保護系統(tǒng)的設計，通過軟件實現(xiàn)對采煤機供電的恒定性，能夠有效保證采煤機在復雜的井下工作環(huán)境中通過恒定的電流實現(xiàn)安全、穩(wěn)定、高效的運行。

另外，在對采煤機PLC電控系統(tǒng)的設計中，采用梯形圖的編程語言，通過程序語言的運用，一方面可以使PLC系統(tǒng)的主程序與子程序結(jié)構和連接的高度優(yōu)化，使程序結(jié)構較為清晰，而且還具備一定量的存儲空間。相對于其他設計語言來說，梯形圖編程語言其系統(tǒng)維護成本較低，節(jié)省了系統(tǒng)的存儲空間，提升系統(tǒng)運行速度，優(yōu)化PLC系統(tǒng)對采煤機的平穩(wěn)指揮。

4 結(jié)語

采煤機PLC電控系統(tǒng)的應用可以有效實現(xiàn)采煤機功率的平穩(wěn)輸出，PLC控制系統(tǒng)集合了控制中心、變頻技術、動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、熱感系統(tǒng)等，將采煤機的工作環(huán)境和工作狀態(tài)進行實時監(jiān)控，實現(xiàn)人機互動、遠程遙控等操作，提升了采煤機的運行平穩(wěn)性，提高了井下煤層采集的安全性。實踐表明，PLC電控系統(tǒng)能夠滿足采煤機以及現(xiàn)代采煤工作面的需求。

[1]成俊森.煤礦皮帶運輸機中PLC技術的應用[J].技術與市場，2014（4）：112-113.

[2]呂海軍.采煤機PLC電控系統(tǒng)設計[J].能源技術與管理，2015（6）：89-90.

[3]朱曉芳，楊立東，李艷慧.電牽引采煤機PLC載波電控系統(tǒng)[J].工礦自動化，2009（5）：67-68.