基于S7-1200 PLC的礦用電纜卷放車自動控制系統(tǒng)設計

喬冬青，閆孝姮

(1.神華準格爾能源有限責任公司，內蒙古 準格爾 010300；2.遼寧工程技術大學 電氣與控制工程學院，遼寧 葫蘆島 125105)

礦用電鏟作為露天礦間斷與半連續(xù)開采工藝系統(tǒng)中不可或缺的關鍵設備，在礦山采掘及剝離作業(yè)中，其工作量通常約占整個項目工作總量的50%，電鏟供電的可靠性直接影響開采工作的效率[1-2]。電纜卷放裝置可以有效減少因電鏟行走作業(yè)、臺階掉塊、鏟車碾壓造成的供電電纜拖拽磨損及接頭老化、絕緣層損傷等問題，提高電鏟用電可靠性[3]。目前，國內大型露天礦使用電纜卷放裝置多為通用型，構造簡單、可容納電纜米數(shù)短、自動化水平低、需要人工輔助完成，例如爬犁和鏟車自帶尾繩卷筒，卷纜速度難以匹配電鏟行走工作且存在安全隱患[4]。卷纜裝置研究日益成為國內煤礦企業(yè)關注項目，卷纜裝置電氣控制系統(tǒng)的應用保證了露天礦開采的工作質量，降低了工人工作強度，提高了安全系數(shù)和生產效率[5-6]，其應用市場前景廣闊。國內對礦用電纜卷放車控制系統(tǒng)研究主要集中在液壓驅動系統(tǒng)自動化方向[7-8]，缺少針對多個執(zhí)行機構的完整電氣控制系統(tǒng)設計。針對這一問題，本文提出一種基于S7-1200的電鏟用千米帶電電纜卷放車電氣控制系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)匹配電鏟行走、自動收放電纜、實時監(jiān)測現(xiàn)場數(shù)據(jù)、快速響應外部環(huán)境變化的功能，提高了采煤作業(yè)經濟效益和安全性能。

1 系統(tǒng)控制需求分析和實現(xiàn)原理

千米帶電工作電纜卷放車可在礦用交流電源供電條件下正常使用，其電纜容納能力達到1 000 m及以上，可完全取代既有的爬犁車和電纜滾筒，電纜卷放車一端通過電纜連接35/6.3 kV移動變電站，另一端連接電鏟向其供電，其體積遠小于電鏟，最大程度降低對電鏟回轉、采裝及卡車通行造成的影響[9-10]。依據(jù)電纜卷放車的工作要求，其電氣控制系統(tǒng)主要以S7-1200為核心，具有各類電機的啟停、保護和故障報警、人機界面監(jiān)測與顯示、自動匹配行走、智能化布線、系統(tǒng)運行狀態(tài)保護和故障報警、比例電磁閥調度、液壓驅動系統(tǒng)控制、壓緊電纜裝置分級調控等基本控制功能以及遠程遙控、紅外攝像功能。

控制系統(tǒng)實現(xiàn)原理如圖1所示。①系統(tǒng)層以S7-1200為控制核心，各子系統(tǒng)程序驅動對應硬件動作，同時通過以太網與上層軟件對接，可有效調動機載設備完成現(xiàn)場工作。②應用層與實際設備實現(xiàn)對接，通過人機交互界面可實時監(jiān)測各設備運行情況并可遠程遙控電纜卷放車行走、布線等功能，實現(xiàn)應用開發(fā)對設備驅動的調用。③通信層主要為上傳卷放車使用時間、故障情況、位置信息等數(shù)據(jù)，便于統(tǒng)一管理和故障維修。

圖1 系統(tǒng)實現(xiàn)原理Fig.1 Principle of system implementation

2 控制系統(tǒng)配置和結構設計

(1)集控中心結構設計。集控中心控制器選擇S7-1200 CPU1214?？刂葡到y(tǒng)硬件架構圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件架構Fig.2 Hardware architecture of control system

S7-1200可編程序控制器結構緊湊、組態(tài)靈活、功能全面，可在較長時間內保證可靠安全。集控中心的人機交互界面，使用WinCC人機交互顯示系統(tǒng)，通過開放接口和操作系統(tǒng)連接，上位機監(jiān)控畫面上顯示各子系統(tǒng)的實際運行狀態(tài)，便于對電纜卷放車工作狀態(tài)監(jiān)控和實時調控[11-13]。此外，電流、電壓、溫度、開關閉合狀態(tài)等安全回路信號也實時顯示在監(jiān)控畫面上，當系統(tǒng)存在安全隱患或開關狀態(tài)異常，及時作出干預，避免安全事故的發(fā)生。集控中心的S7-1200通過以太網與上位機鏈接，集控中心通過交換機以及其他連接設備與其余子系統(tǒng)相連接，經交換機和S7-1200處理，向各子系統(tǒng)執(zhí)行機構發(fā)出作業(yè)指令，以實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

(2)行走卷纜子系統(tǒng)結構設計。行走卷纜子系統(tǒng)主要由電纜卷放車上下輥架的壓力傳感器、距離傳感器、變量泵、排量950 mL/r行走變量電機和排量1 730 mL/r卷筒變量電機構成。I/O控制主要包括啟停行走變量電機、啟停卷筒變量電機等，控制監(jiān)測內容主要為電纜卷放車與電鏟車距離、上下輥架壓力數(shù)值等。所有傳感器均為本安設備，輸入電流范圍為0.5～4.0 mA，電流信號輸入S7-1200模擬量輸入模塊SM1231，經S7-1200內部程序處理判斷，輸出電信號，經比例控制閥轉換賦給變量泵和變量電機的比例電磁鐵，實現(xiàn)具體功能。

(3)自動排線子系統(tǒng)結構設計。排線子系統(tǒng)由計數(shù)傳感器、限位傳感器、160 kW功率電機、減速伺服電機、排線器等組成。通過電纜卷筒上的計數(shù)傳感器感應卷筒外殼上通風孔的數(shù)量，將計數(shù)器信號接入S7-1200模擬量輸入模塊SM1231，經過模擬量處理模塊轉換得到數(shù)字量，通過S7-1200內部判斷后控制電機，進而控制減速伺服電機和反轉伺服電機，實現(xiàn)排線器運動速度調節(jié)和往復運動。

(4)壓緊電纜子系統(tǒng)。壓緊電纜子系統(tǒng)由外接支撐架、壓輥架、可伸縮油缸、彈簧、壓力傳感器等構成。彈簧連接在外接支撐架和壓輥架之間，2個壓力傳感器分布在彈簧周圍，用于檢測彈簧伸縮程度，按照設定的壓力數(shù)值控制可伸縮油缸動作，使壓輥架按需求下壓電纜緊實排線。

3 系統(tǒng)軟件設計及功能實現(xiàn)

通過上述對各個系統(tǒng)的功能及配置的分析與設計，主要對行走卷纜子系統(tǒng)、自動排線子系統(tǒng)及壓緊電纜子系統(tǒng)的軟件編程提供思路。軟件設計主要是根據(jù)控制要求來完成對3個子系統(tǒng)(控制行走卷纜子系統(tǒng)、自動排線子系統(tǒng)、壓緊電纜子系統(tǒng))功能的程序編寫，并能夠在系統(tǒng)欠壓、失壓、短路、過載時及時停機并聲光報警。

(1)行走卷纜子系統(tǒng)。針對采集到的距離傳感器和壓力傳感器信號處理結果，利用S7-1200操控卷筒電機和行走電機啟停、正反轉，實現(xiàn)電纜卷放車匹配電鏟車同步行走并自動收放電纜。行走卷纜功能可以集控、單控，并附以遙控設備實現(xiàn)遠程控制，滿足了復雜多變的工業(yè)需求。

(2)自動排線子系統(tǒng)。采用集控、單控和遠程遙控控制方式，根據(jù)計數(shù)傳感器采集到的卷筒外側通風孔的數(shù)量確定電纜在卷筒1周纏繞的進度，經S7-1200處理后控制減速機和排線伺服電機啟動，確保電纜纏繞卷筒1周，排線器移動1個線徑的匹配速度，同時根據(jù)限位傳感器采集到的排線器的位置控制排線伺服電機正反轉。

(3)壓緊電纜子系統(tǒng)。采用單控和遠程遙控的控制方式，壓緊電纜的輥架可以一鍵控制啟停，根據(jù)S7-1200處理后的壓力傳感器數(shù)值設定對應輥架和固定支架連接處的可伸縮油缸參數(shù)，實現(xiàn)4層電纜均壓緊壓實。為保證系統(tǒng)安全運行，配備報警聯(lián)動功能，在生產過程中，若子系統(tǒng)參數(shù)超過設定閾值，相應界面上報警指示燈閃爍提示，以便運行人員及時做出處理。

4 監(jiān)控界面開發(fā)

上位機監(jiān)控畫面實現(xiàn)了對電纜卷放車運行狀態(tài)的綜合監(jiān)測和遠程控制，進而提高了電纜卷放車的自動化水平。本設計選用與S7-1200有極高兼容性的WinCC組態(tài)軟件對監(jiān)控系統(tǒng)進行設計[14-15]，其中軟件上位機界面如圖3所示。

WinCC畫面顯示各子系統(tǒng)工作狀態(tài)和采集到的距離、各類壓力傳感器數(shù)值等工藝參數(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，便于工作人員直接監(jiān)視。同時將各類歷史數(shù)據(jù)進行存儲，生成數(shù)據(jù)庫，供運行人員查看、調用、制作圖表并分析總結。報警聯(lián)動功能實現(xiàn)子系統(tǒng)故障實時顯示、切除。電纜卷放車子系統(tǒng)發(fā)生異常啟動報警信號后，操作員界面會切換到相應監(jiān)控畫面窗口，顯示異常數(shù)據(jù)，提高了管理者決策依據(jù)準確性，降低了安全決策風險。

5 結論

設計了千米級露天礦用電纜卷放車電氣控制系統(tǒng)，完成了集控中心、行走卷纜子系統(tǒng)、自動排線子系統(tǒng)、壓緊電纜子系統(tǒng)的硬件配置，編程實現(xiàn)了行走卷纜子系統(tǒng)和自動排線子系統(tǒng)集控、單控和遠程遙控，壓緊電纜子系統(tǒng)單控、遠程遙控多種控制方式。開發(fā)和設計了良好的上位機界面，實現(xiàn)了現(xiàn)場工作狀態(tài)實時監(jiān)測和遠程遙控。應用研究表明，該系統(tǒng)提高了煤礦產量和工作效率，有利于降低勞動強度和生產成本。

圖3 電纜卷放車上位機界面Fig.3 Upper computer interface of cable winding car