基于PLC的采煤機智能控制系統(tǒng)設(shè)計

＊和學(xué)軍

（山西陵川崇安南營河煤業(yè)有限公司 山西 048300）

引言

我國采煤礦井控制系統(tǒng)中，很多采用的仍然是傳統(tǒng)的交流提升機電控系統(tǒng)，也被稱為TKD電控系統(tǒng)。控制系統(tǒng)在速度調(diào)節(jié)上，采用接觸器控制轉(zhuǎn)子串電阻的方式，完成速度的調(diào)整。這種方案雖然已經(jīng)成熟，被廣泛使用，但自動化和智能化水平不高，而且接線較為復(fù)雜。一旦其中某個電氣元氣件出現(xiàn)損壞，排查難度高，維修工作量大，造成系統(tǒng)整體性故障時有發(fā)生。PLC是可編程邏輯控制器，具有使用簡單、系統(tǒng)集成度高、模塊化編程靈活、系統(tǒng)運算速度比較快、模塊可靠性好等優(yōu)點。將其應(yīng)用在采煤機控制系統(tǒng)中，可以很好實現(xiàn)系統(tǒng)的智能化控制，減少運維人員的工作量，提高采煤系統(tǒng)現(xiàn)代化管理水平，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

1.PLC控制器簡介

本設(shè)計采用PLC作為系統(tǒng)控制核心，PLC可以通過編程語言，對各功能模塊的邏輯進行建模，通過全數(shù)字控制指令實現(xiàn)采煤機系統(tǒng)的智能控制。設(shè)計選擇西門公司S7-400系列的PLC作為核心控制單元。主要核心功能模塊包括電源板、CPU模塊、計數(shù)模板模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸入檢測模塊、模擬量輸出模塊。可以實現(xiàn)采煤機系統(tǒng)的信號采集、信號處理、數(shù)據(jù)傳輸、信號計算、系統(tǒng)控制、制動保護等。對下可以完成信號采集、信號處理、行程控制。對上可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、指令接收、智能監(jiān)控，保證采煤機安全穩(wěn)定運行。

2.智能控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

(1)基于PLC的采煤機系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于PLC是采煤機智能控制系統(tǒng)，通過傳感器采集現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)信息，然后通過控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對提升機的智能控制。整個系統(tǒng)包括電流電壓監(jiān)測單元、電源柜、控制監(jiān)控系統(tǒng)、操作臺、PLC控制單元、換向器、加速接觸器、可調(diào)閘制動、信號檢測、提升機、緊急制動器、卷筒等。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

通過檢測電流、電壓、轉(zhuǎn)速等信號，對采煤系統(tǒng)運行狀態(tài)進行判斷，根據(jù)當前操作指令，通過控制換向器、加速器、制動系統(tǒng)等對提升機進行控制。PLC采集的數(shù)據(jù)送到控制監(jiān)控系統(tǒng)進行顯示。工作人員通過顯示系統(tǒng)，就能對采煤機當前運行狀態(tài)進行獲取，實現(xiàn)自動化和智能化控制。

(2)電氣傳動系統(tǒng)設(shè)計

電氣傳動系統(tǒng)是比較重要的組成單元，本設(shè)計基于PLC的采煤機智能控制系統(tǒng)采用并聯(lián)脈動電樞可逆方案，對系統(tǒng)實行恒磁傳動控制。特點是采用晶閘管直流驅(qū)動，實現(xiàn)全數(shù)字控制，有效減少交流信號對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，提高傳動系統(tǒng)運行可靠性。電氣傳動總體框圖如圖2所示。

圖2 電氣傳動系統(tǒng)設(shè)計

從圖2可知，電氣傳動系統(tǒng)是由兩組電樞可逆整流電路并聯(lián)組成。通過兩臺整流變壓器給系統(tǒng)提供電源，利用平衡電抗器平衡整流電壓，保證兩臺變流裝置電流平衡。

(3)主回路方案

基于PLC的采煤機智能控制系統(tǒng)，主回路方案采用主傳動交交變頻全數(shù)字矢量控制策略。系統(tǒng)組成上包括定子功率柜單元、勵磁柜單元、交交變頻控制柜單元、同步電動機單元組成。其中定子功率柜單元包括高壓斷路器單元、整流變壓器單元、三相交-交變頻控制柜單元、交流同步電機單元組成。其中每臺同步電機由6脈波傳動系統(tǒng)構(gòu)成。主回路方案如圖3所示。

圖3 主回路示意圖

從圖3可知，最上面單元是6脈波交交變頻器，中間單元是12脈波同步電機，最下方是整流變壓器。主回路方案設(shè)計可以有效減少電網(wǎng)的諧波干擾，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

(4)程序?qū)崿F(xiàn)方案

程序是系統(tǒng)的核心單元，完成硬件邏輯的驅(qū)動和控制方案設(shè)計后，要對軟件程序方案進行設(shè)計，設(shè)備上電運行后，首先進行程序初始化操作，完成各個寄存器和參數(shù)配置后，為了保證系統(tǒng)運行正常，進入自檢程序，對各個功能單元進行自檢驗證。如果自檢異常，此時系統(tǒng)封鎖輸出，同時進行聲光報警，提示運維人員立即進行故障排查和處理。自檢正常，進入初始位置檢測單元，對當前運行狀態(tài)進行判斷，最后顯示當前時間位置。然后進入程序速度控制程序，判斷當前速度，接著對過載、過卷等進行判斷，最后判斷是否有停止操作。

3.上位機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

在完成PLC智能監(jiān)測系統(tǒng)下位機單元方案后，對上位機監(jiān)控系統(tǒng)功能進行設(shè)計。上位機監(jiān)控系統(tǒng)主要是對下位機單元數(shù)據(jù)接收、存儲，并通過顯示單元進行實時顯示，同時支持遠程控制和一鍵制動操作。

PLC單元選擇西門子公司的S7-400系列PLC，在于上位機監(jiān)控系統(tǒng)通信上采用PROFFIBUS總線連接方式。這種連接方式支持多點總線連接，減少系統(tǒng)設(shè)備之間的信號走線，提高系統(tǒng)可靠性和安全性。上位機監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 上位機監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

4.總結(jié)

本設(shè)計是基于PLC的采煤智能控制系統(tǒng)設(shè)計，在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，選擇PLC作為系統(tǒng)控制核心，替代傳統(tǒng)的交流提升機電控系統(tǒng)。PLC選擇西門子公司S7-400系列產(chǎn)品。本設(shè)計給出了PLC選型，并對選擇型號PLC功能進行論述。對基于PLC的采煤機系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，并對不同組成單元功能進行分析。給出主回路設(shè)計方案和電氣傳動系統(tǒng)設(shè)計方案。最后對上位機系統(tǒng)方案進行設(shè)計，給出系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)。本設(shè)計可以有效減少系統(tǒng)干擾，控制更加靈活。對保證采煤機系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行具有重大的意義。