PLC技術(shù)在煤礦機(jī)電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用探析

葉智鋒

摘 要：煤礦機(jī)電系統(tǒng)作為煤礦生產(chǎn)的重要組成部分，對保證煤礦生產(chǎn)安全、提升煤礦生產(chǎn)效率有著較為重要的作用。而通過將PLC技術(shù)應(yīng)用到煤礦機(jī)電控制系統(tǒng)中，對于提升整個(gè)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化與智能化水平有著非常重要的意義。本文從PLC控制系統(tǒng)工作原理分析入手，重點(diǎn)剖析了PLC技術(shù)在煤礦機(jī)電控制系統(tǒng)中的具體應(yīng)用，并對PLC技術(shù)在煤礦機(jī)電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了測試。

關(guān)鍵詞：PLC技術(shù);煤礦機(jī)電控制系統(tǒng);應(yīng)用;探析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.070

0 引言

PLC技術(shù)的本質(zhì)為一個(gè)可被執(zhí)行的編程存儲器，在復(fù)雜邏輯執(zhí)行與運(yùn)算中能夠取得較好應(yīng)用效果，通過數(shù)字信息、執(zhí)行方式及輸入輸出等，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)化控制。大量實(shí)踐表明，在煤礦機(jī)電控制系統(tǒng)中，通過PLC技術(shù)替代原有繼電控制技術(shù)，能夠使整個(gè)系統(tǒng)更為準(zhǔn)確、快捷、高效。

1 PLC控制系統(tǒng)工作原理

在煤礦機(jī)電控制系統(tǒng)中應(yīng)用PLC技術(shù)時(shí)，主要利用的是自動(dòng)控制的方式實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)任務(wù)的自動(dòng)處理，整個(gè)過程主要包含有3個(gè)環(huán)節(jié)，具體為：輸出刷新環(huán)節(jié)、程序執(zhí)行環(huán)節(jié)及采樣輸入環(huán)節(jié)。

1.1 采樣輸入環(huán)節(jié)

具體原理為：通過CPU掃描儀對工作面進(jìn)行全面掃描，同時(shí)，將掃描得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)記錄并將其存儲到I/O存儲映象區(qū)內(nèi)，之后采集得到的數(shù)據(jù)會(huì)被隨機(jī)傳送到各個(gè)獨(dú)立的處理運(yùn)行部位，在該環(huán)節(jié)中得到的各類數(shù)據(jù)是相互獨(dú)立的，后續(xù)階段操作不會(huì)影響到該階段數(shù)據(jù)的獨(dú)立性。

1.2 程序執(zhí)行環(huán)節(jié)

在執(zhí)行的過程中，PLC技術(shù)按照梯形圖流程完成對應(yīng)的掃描，在進(jìn)行掃描過程中，具體的計(jì)算方式是根據(jù)既定的邏輯進(jìn)行，并最后將計(jì)算得到的信息收錄到計(jì)算機(jī)中。確保該環(huán)節(jié)準(zhǔn)確無誤的關(guān)鍵是保證各類數(shù)據(jù)的一致性，防止進(jìn)入到系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)有錯(cuò)誤指令。

1.3 輸出刷新環(huán)節(jié)

該環(huán)節(jié)主要是對輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行執(zhí)行，在煤礦機(jī)電控制系統(tǒng)中，通常情況下是通過上述信息實(shí)現(xiàn)對整個(gè)電路系統(tǒng)的有效調(diào)整，最終完成對機(jī)電設(shè)備的調(diào)控。

PLC控制系統(tǒng)的具體工作原理見圖1所示。

2 PLC技術(shù)在煤礦機(jī)電控制系統(tǒng)中的具體應(yīng)用

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

在煤礦機(jī)電控制系統(tǒng)中應(yīng)用PLC技術(shù)時(shí)，最為核心的部位是電控系統(tǒng)，而在電控系統(tǒng)中變頻調(diào)速系統(tǒng)和核心處理器是系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)。本文在分析時(shí)選擇使用PLC核心處理器為：S7-300。整個(gè)機(jī)電控制系統(tǒng)主要包含有：操作臺觸摸屏、低壓配電柜、制動(dòng)電阻柜、變頻電阻柜及PLC控制箱。整體結(jié)構(gòu)見圖2所示。

其中各個(gè)組件的具體功能為：

（1）PLC控制箱功能：設(shè)計(jì)電控系統(tǒng)核心包含兩套PLC，功能分別為：對電控系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控;自動(dòng)或者手動(dòng)完成機(jī)電控制系統(tǒng)的提升、接受指示信號、安全閘、速度給定工作閘及閉鎖等功能。

（2）變頻電阻柜功能：主要是對整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行速度控制，同時(shí)具有能量反饋功能。

（3）制動(dòng)電阻柜功能：主要是整個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)部件的制動(dòng)，例如，對煤礦提升機(jī)進(jìn)行減速或者制動(dòng)。

（4）低壓配電柜功能：主要是對控制系統(tǒng)中各個(gè)部件進(jìn)行供電。

（5）操作臺觸摸屏功能：主要功能是顯示相關(guān)信號燈、通信、指示燈及操作按鈕等。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

PLC技術(shù)在煤礦機(jī)電控制系統(tǒng)中的硬件主要包含有：配電系統(tǒng)硬件、變頻調(diào)速裝置、PLC控制系統(tǒng)等，具體設(shè)計(jì)如下：

（1）硬件電路設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)選擇使用西門子S7-300硬件模塊作為電源模塊、編程設(shè)備、通信模塊、接口模塊、CPU模塊的主要組成部分，具體的電路結(jié)構(gòu)框架圖見圖3所示。在CPU模塊中主要包含的是存儲器、微處理器，主要作用是采集機(jī)電控制系統(tǒng)的狀態(tài)信息，同時(shí)，執(zhí)行電控系統(tǒng)的程序指令，對故障點(diǎn)也能夠進(jìn)行智能監(jiān)測，電控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)和程序也存儲到其中。接口模塊主要功能是完成數(shù)據(jù)交互;在通信模塊中，主要功能是完成I/O接口、上位機(jī)、PLC等設(shè)備之間信息的傳遞;本次在進(jìn)行編程時(shí)，選擇的編程設(shè)備為：STEP7，在該設(shè)備中可實(shí)現(xiàn)對不同文本程序的高效編輯;電源模塊的主要功能是進(jìn)行設(shè)備進(jìn)行供電，將外界輸入的220V交流電壓，轉(zhuǎn)變?yōu)镻LC控制系統(tǒng)所需的5V和24V電壓。

（2）雙PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)選擇采用雙PLC控制系統(tǒng)，這對于提升系統(tǒng)的安全性與可靠性有著非常重要的作用。具體設(shè)計(jì)模塊有：1）對I/O接口進(jìn)行分配設(shè)計(jì)，I/O接口信息包含有模擬信號、開關(guān)信號兩個(gè)部分，開關(guān)信號就是數(shù)字信號，具體信號數(shù)量為：132、24，備用的數(shù)量是16、31;2）安全回路設(shè)計(jì)，本次安全回路設(shè)計(jì)包含有2套安全回路，分布為：以PLC軟件程序?yàn)榛A(chǔ)的安全回路;以繼電器開關(guān)為基礎(chǔ)的串聯(lián)硬件安全回路;3）電氣聯(lián)鎖，這主要以煤礦安全需求出發(fā)，設(shè)計(jì)的一系列機(jī)電聯(lián)鎖。

（3）變頻調(diào)速裝置設(shè)計(jì)。煤礦機(jī)電控制性能優(yōu)劣受到變頻調(diào)速裝置設(shè)計(jì)的影響較大。在本次設(shè)計(jì)時(shí)，選擇使用以交直交為基礎(chǔ)的變頻調(diào)速方案，具體型號為西門子SM150系列電壓源型交流交變變頻器，其主要優(yōu)勢是，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為簡單，工作效率相對更高，同時(shí)，承受的電壓更大，實(shí)際容量也更大。此外，本次為了提升動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果與調(diào)節(jié)精度，在對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，選擇使用二極管鉗位三電平。

2.3 控制軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的軟件控制系統(tǒng)全部在WINCC與STEP7上完成，在總程序中包含有較多的子程序，所有子程序選擇單獨(dú)編寫的方式進(jìn)行，具體流程見圖4所示。

（1）輔助啟動(dòng)設(shè)計(jì)。在煤礦機(jī)電控制系統(tǒng)中，動(dòng)力裝置、油泵及電機(jī)等是聯(lián)鎖關(guān)系，在系統(tǒng)工作之前，這些輔助系統(tǒng)首先得進(jìn)行啟動(dòng)，主要作用是對機(jī)電控制系統(tǒng)中的動(dòng)力制動(dòng)裝置進(jìn)行控制。

（2）系統(tǒng)啟動(dòng)設(shè)計(jì)。在準(zhǔn)備程序完成之后，會(huì)對系統(tǒng)是否啟動(dòng)進(jìn)行判定，若符合了啟動(dòng)條件，則聯(lián)鎖手柄、控制手柄等會(huì)調(diào)整到啟動(dòng)位置，然后系統(tǒng)會(huì)立即啟動(dòng)。

（3）安全回路設(shè)計(jì)。在進(jìn)行安全回路設(shè)計(jì)時(shí)，主要是對已經(jīng)設(shè)計(jì)到系統(tǒng)中的軟件、硬件的安全進(jìn)行保護(hù)控制，若出現(xiàn)了提升機(jī)故障的情況，則會(huì)啟動(dòng)硬件保護(hù)，發(fā)生倒閘停車。若軟件出現(xiàn)了故障，則會(huì)出現(xiàn)閉鎖報(bào)警。同時(shí)，在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)故障種類存儲記憶功能，若故障排除，則安全制動(dòng)會(huì)被解除，恢復(fù)正常使用。

3 結(jié)束語

上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后，為了對PLC技術(shù)具體的應(yīng)用效果進(jìn)行檢驗(yàn)，以上述硬件與軟件為基礎(chǔ)，對整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行了測試，從測試結(jié)果中看出，整個(gè)機(jī)電控制系統(tǒng)運(yùn)行較為平穩(wěn)，在系統(tǒng)啟動(dòng)與使用的過程中總體的沖擊電流較小，且可以較為平穩(wěn)的達(dá)到運(yùn)行的狀態(tài)，較好克服了在傳統(tǒng)機(jī)電控制模式中，受到井下瓦斯、煤塵等因素的負(fù)面影響，總體的抗干擾能力與安全性相對于傳統(tǒng)方式均實(shí)現(xiàn)了較大的提升，此外，系統(tǒng)包含有較多子系統(tǒng)，方便系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步升級，若增加相關(guān)功能，僅需在這些系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行子單元擴(kuò)充即可。

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作者簡介：葉智鋒（1976-），男，福建永春人，本科，助理工程師，研究方向：煤礦機(jī)電技術(shù)與應(yīng)用。