基于PLC 的采煤機電控系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

郭 鵬

（同煤集團四臺礦專職質(zhì)檢組，山西 大同 037000）

引言

采煤機作為影響煤礦生產(chǎn)效率的關(guān)鍵設(shè)備，具有先進可靠的電氣控制系統(tǒng)尤為重要，可以提高設(shè)備的可靠性，保證設(shè)備的整機性能。目前采煤機使用的調(diào)速方式是滑差調(diào)速方式，接線復(fù)雜，且工作時周圍環(huán)境比較惡劣，運行過程中大功率的變頻調(diào)速裝置會產(chǎn)生很強的電磁干擾，使電壓出現(xiàn)大幅度的波動，還有電源污染、煤塵以及潮濕等諸多不利的因素[1-2]，都嚴(yán)重影響采煤機電控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

1 采煤機電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架

根據(jù)某礦井采煤機電控系統(tǒng)的實際應(yīng)用情況，建立基于模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計的PLC 控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)主要包括多路直流電源控制組件、電流溫度傳感器、各個端頭操作接口控制單元、無線遙控接收接口單元、顯示控制單元以及PLC 模塊，將各個模塊通過現(xiàn)場總線連接起來，方便后續(xù)的檢修和維修，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的框架如圖1 所示。

圖1 電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

根據(jù)指示命令以及各個電機當(dāng)前的溫度、電流等參數(shù)，按照一定的算法規(guī)則對設(shè)備進行控制和保護[3]。通過操控控制面板，將各類信號處理后經(jīng)32 點開關(guān)模擬量控制輸入模塊與PLC 的端口連接，配有4 路12 位模擬量輸入/2 路模擬量輸出模塊，進行截割部電機和牽引部電機的電流信號采集和A/D 轉(zhuǎn)換，根據(jù)變頻器的輸出頻率對應(yīng)調(diào)節(jié)牽引速度的信號，連接溫度模塊與截割部電機繞組和調(diào)速箱內(nèi)溫度檢測熱電阻，將電阻值轉(zhuǎn)換成對應(yīng)檢測點處溫度的數(shù)字量，變頻器的上電、斷電、牽引方向以及電磁閥電壓調(diào)高信號通過16 點繼電器信號輸出模塊輸出，智能觸摸屏顯示器通過串聯(lián)通信協(xié)議與PLC 上RS232 串口連接，主控制器通過CAN 總線與電流溫度傳感器連接，減少了連接電纜的數(shù)量，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

由于采煤機機身兩端頭的控制站與PLC 控制器之間間隔較大，而要控制的項目繁多，因此需要對控制信號進行處理得到數(shù)字脈沖信號，經(jīng)串行編碼器編碼后發(fā)送給控制箱。具體來說，對控制信號要先在端頭操作接口控制單元處進行相應(yīng)變化，然后再進入PLC 中處理；對于無線遙控信號要在無線接收單元接口處進行變頻以及解碼等處理，再進入PLC 中處理。PLC 系統(tǒng)的具體單元如下頁圖2 所示。

2 采煤機電控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

電控系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括控制算法和控制信息顯示，控制算法主要采用梯形圖形式進行編寫，信息顯示主要采用圖形化編程方法來進行[4]。在優(yōu)化設(shè)計時，電控系統(tǒng)中有10 路模擬量輸入、1 路模擬量輸出、39 點開關(guān)量輸入輸出是直接通過PLC 進行信號處理的。采用先入先出隊列，為每路的模擬輸入信號都設(shè)置單獨的隊列，盡可能減少長字的累加運算，在滿足響應(yīng)時間的條件下，降低對每路模擬信號進行濾波運算的次數(shù)，從而提高數(shù)字濾波的響應(yīng)頻率，通過實際測試運行，在采用此種計算方法后，選用0.4ms/每千步的PLC，僅用20ms 就可以將10 路8字以上深度的模擬均值信號進行數(shù)字濾波處理，比以前使用重復(fù)累加數(shù)字濾波算法的響應(yīng)時間約快30%左右。同時，在設(shè)計時采用大型數(shù)組下標(biāo)操作尋址方法，以提高數(shù)據(jù)尋址的效率，使程序更靈活。PLC 的整體程序流程如圖3 所示。

圖2 PLC 電控系統(tǒng)單元圖

圖3 PLC 程序流程總圖

進行優(yōu)化設(shè)計時，為了使程序結(jié)構(gòu)看起來更清晰明了，調(diào)用子程序，不僅節(jié)省存儲器資源，還使后期維護更方便，整個采煤機電控系統(tǒng)的PLC 控制程序包含1 個主程序和10 個子程序，每一個子程序都對應(yīng)相應(yīng)的功能，各個子程序的接口清晰。比如，在對模擬量數(shù)據(jù)進行預(yù)處理時，要編寫相應(yīng)的子程序，采用數(shù)組和移位的兩種操作，對數(shù)據(jù)構(gòu)建先入先出隊列，并進行數(shù)字濾波處理，通過改變調(diào)用濾波的參數(shù)來自動調(diào)節(jié)數(shù)字濾波的時間常數(shù)。為了使采煤機能準(zhǔn)確跟蹤并及時記錄電控系統(tǒng)的相關(guān)運行參數(shù)，要編寫對數(shù)據(jù)整理、記錄和回讀的子程序，其中，數(shù)據(jù)整理子程序主要負(fù)責(zé)將要記憶的數(shù)據(jù)信息進行分析采集，并保存形成緊湊的數(shù)據(jù)記錄文件格式；記錄子程序主要負(fù)責(zé)將輸出的一組數(shù)據(jù)利用數(shù)組功能，靠對數(shù)組下標(biāo)的模運算，構(gòu)成環(huán)形尋址，便于連續(xù)記錄；回讀子程序主要負(fù)責(zé)將記錄的數(shù)據(jù)寫入PLC中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)跟蹤記錄功能。

3 采煤機電控系統(tǒng)的無線通信模塊

采煤機要實現(xiàn)全自動化割煤，就需要在控制臺和采煤機上建立數(shù)據(jù)交互，采用無線波段進行通信，在工作時，由于開采工作面比較寬，且使用的液壓支架數(shù)量也比較多，這些都會干擾無線信號的傳輸，如果在采煤機上安裝很長的天線，一些機電設(shè)備的遮擋也會影響信號的傳輸。因此，根據(jù)礦井井下工作的復(fù)雜性和特殊性，綜合考慮信號傳輸衰減和多途徑的影響，要求無線通信裝置的功率不能過大，因而采用多個無線傳輸分站進行信號傳輸，同時要盡量減少安裝在液壓支架下的布線和設(shè)備，將無線通信模塊與工作面通信模塊整合為一個系統(tǒng)，PLC 作為工作面通信系統(tǒng)的主機，也要對工作面組合開關(guān)進行控制，整個數(shù)據(jù)中心是一臺隔爆型計算機，將計算機與PLC 通信作為上位機，用來顯示系統(tǒng)的狀態(tài)，同時控制相關(guān)設(shè)備，實現(xiàn)對工作面的集中控制。

4 應(yīng)用效果

將該系統(tǒng)應(yīng)用于某煤礦發(fā)現(xiàn)，基于PLC 的電控系統(tǒng)使采煤機的爬坡能力有所提高，在運行過程中平穩(wěn)可靠，且安裝簡便，接線較少，容易進行安全檢查和日常維護，維修費用有所降低，約減少16 萬元/年，采煤效率有所提高，采煤產(chǎn)量約增加50 萬t/年。