PLC技術(shù)在煤礦設(shè)備自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

孫 灝

（中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司，江蘇 常州213000）

1 PLC的主要構(gòu)成

PLC即可編程序控制器，其具有適用性強(qiáng)、應(yīng)用方便、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡單、可靠性強(qiáng)等優(yōu)勢，目前在工業(yè)自動化控制領(lǐng)域中的地位不可取代。按照不同的結(jié)構(gòu)可以將PLC分為兩種，一種是固定式PLC，其主要構(gòu)成包括CPU、I/O模塊、顯示面板、內(nèi)存、電源等部分，這些模塊構(gòu)成一個整體，不可拆卸；另一種是組合式PLC，其除了具備與固定式PLC相同的組成模塊外，還包括底板或機(jī)架，組合式PLC的每個模塊按照一定規(guī)則組合配置在一起。實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)不同的需求選擇不同結(jié)構(gòu)的PLC。

在整個PLC中，CPU是核心部分，其包括運(yùn)算器、控制器、寄存器、外圍芯片、總線接口、相關(guān)電路以及數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線，其主要作用是接收并存儲用戶設(shè)計好的程序及數(shù)據(jù)，對內(nèi)部電路及電源的工作狀態(tài)做出及時診斷，且編程過程中一旦出現(xiàn)語法錯誤也可以及時分析出來。CPU讀取存儲器中的指令，做出解析后產(chǎn)生對應(yīng)的控制信號，實(shí)現(xiàn)對相關(guān)電路的控制，其中運(yùn)算器的主要作用是在控制器的指揮下進(jìn)行數(shù)據(jù)計算或邏輯運(yùn)算，寄存器除了存儲運(yùn)算的中間結(jié)果也會參與運(yùn)算。在PLC系統(tǒng)中CPU的內(nèi)存容量、速度決定了PLC的工作效率。I/O模塊是PLC與電氣回路的接口，其包括開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出等。I/O模塊中的輸入暫存器反映輸入信號的狀態(tài)，輸出點(diǎn)則反映輸出鎖存器的狀態(tài)，電信號被輸入模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳輸至PLC系統(tǒng)。I/O模塊的數(shù)量及規(guī)格可根據(jù)CPU的基本配置能力靈活設(shè)置，不超出最大底板或機(jī)架槽數(shù)限制即可。電源模塊的主要作用是為PLC各模塊集成電路提供工作電源，并為輸入電路提供24V工作電源。底板或機(jī)架的主要作用是使各模塊連接在一起構(gòu)成一個整體，實(shí)現(xiàn)各模塊的聯(lián)系，保證CPU可以訪問底板上所有模塊。PLC通信主要采用多點(diǎn)接口數(shù)據(jù)通信或工業(yè)以太網(wǎng)等實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，真正意義上實(shí)現(xiàn)分散集中控制。

2 PLC在煤礦設(shè)備自動控制系統(tǒng)中的具體應(yīng)用

煤礦設(shè)備自動控制系統(tǒng)包括地面控制中心及井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)兩大部分，利用Zig Bee等無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)PLC與地面控制中心的連接，整個自動控制系統(tǒng)功能包括井下環(huán)境監(jiān)測、礦工考勤、礦工定位、通風(fēng)系統(tǒng)控制等。其中井下環(huán)境監(jiān)測的主要作用是通過終端設(shè)備中的傳感器監(jiān)測井下瓦斯?jié)舛?、一氧化碳濃度、溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)；考勤系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)礦工的考勤登記，礦工定位即確定礦工在礦井中的大概位置；通風(fēng)系統(tǒng)的主要作用則是為礦井內(nèi)部提供充足的新鮮空氣，以保證井下作業(yè)的安全性、適宜性。下文主要介紹PLC技術(shù)在煤礦通風(fēng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2.1 系統(tǒng)的主要構(gòu)成

礦井通風(fēng)系統(tǒng)的主要作用是向井下輸送新鮮空氣，排出有毒的污濁空氣，為井下提供一個安全的生產(chǎn)環(huán)境。本研究提出的基于PLC的煤礦井下控制系統(tǒng)主要構(gòu)成包括主控制器PLC、兩組互相獨(dú)立的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、報警裝置及相關(guān)的保護(hù)裝置等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集礦井內(nèi)部的瓦斯?jié)舛?、溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)，并將采集到的數(shù)據(jù)傳送至PLC中，PLC程序會事先設(shè)定好井下安全生產(chǎn)的環(huán)境參數(shù)閾值，當(dāng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)高于系統(tǒng)設(shè)定的閾值就會輸出對應(yīng)的控制信號，報警電路及執(zhí)行機(jī)構(gòu)就會做出相應(yīng)的反應(yīng)，以保證井下生產(chǎn)的環(huán)境安全。整個通風(fēng)控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、風(fēng)機(jī)的啟動與停車、工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換、通風(fēng)系統(tǒng)故障報警及信息反饋等諸多功能。具體應(yīng)用過程中系統(tǒng)會先進(jìn)行初始化處理，將所有輔助寄存器中存儲的數(shù)據(jù)歸零，系統(tǒng)運(yùn)行過程中一旦井下環(huán)境中瓦斯?jié)舛?、一氧化碳濃度等超過系統(tǒng)設(shè)計的閾值，或者風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中電動機(jī)定子及風(fēng)機(jī)軸承等部件溫度超過系統(tǒng)閾值，系統(tǒng)均會自動發(fā)出報警。操作過程中包括手動操作與自動操作兩種模式，手動模式下系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際需求設(shè)定控制參數(shù)，因此主要在設(shè)備安裝及調(diào)試階段采用手動模式，對電動機(jī)、風(fēng)機(jī)進(jìn)行逐一單臺控制；系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)下風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中電動機(jī)定子溫度或風(fēng)機(jī)軸承溫度過高時，系統(tǒng)也會自動切換至手動模式。系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)下通常都采用自動控制模式，系統(tǒng)根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸過來的數(shù)據(jù)決定采用單機(jī)運(yùn)行或者雙機(jī)運(yùn)行，上位程序讀取到PLC寄存器中的數(shù)據(jù)，由上位界面直接控制PLC系統(tǒng)的啟停。一旦井下環(huán)境參數(shù)大于系統(tǒng)設(shè)定閾值，系統(tǒng)會自動啟動另外一臺風(fēng)機(jī)加大風(fēng)量供應(yīng)，并給出對應(yīng)的提示，待井下環(huán)境參數(shù)恢復(fù)正常后，系統(tǒng)再自動切換為單機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 PLC通風(fēng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)礦井通風(fēng)量、所需總推力選擇電動機(jī)及風(fēng)格的型號、規(guī)格，本研究所提出的基于PLC的通風(fēng)控制系統(tǒng)應(yīng)用于小煤礦的生產(chǎn)，煤礦年產(chǎn)量不超過90萬噸，因此在選擇電動機(jī)、風(fēng)機(jī)時首先考慮其經(jīng)濟(jì)性與安全性。本研究所用的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為每分鐘980r，風(fēng)量為每秒15.7-47.7m3，風(fēng)壓在355-1301Pa；電動機(jī)的額定功率為90kW，額定電壓為380V，額定電流為166A。風(fēng)機(jī)采用電動機(jī)與葉輪直聯(lián)的結(jié)構(gòu)，簡單便于運(yùn)行與維護(hù)，電機(jī)外設(shè)置有全封閉型密閉散熱罩及氣壓平衡管，可以保證電機(jī)運(yùn)行的安全性與可靠性。本設(shè)計采用兩組互相獨(dú)立的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，以保證礦井生產(chǎn)的安全性。每套風(fēng)機(jī)系統(tǒng)均帶有電機(jī)定子傳感器、風(fēng)機(jī)軸溫傳感器，用以檢測風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中的溫度參數(shù)，能夠?qū)崟r檢測出電機(jī)是否存在故障問題，每套風(fēng)機(jī)系統(tǒng)均可單獨(dú)操作。由于本研究是針對小型煤礦設(shè)計的自動控制系統(tǒng)，因此采用兩個同時掘進(jìn)的作業(yè)面為基礎(chǔ)；相距掘進(jìn)面3-5m處為瓦斯、一氧化碳冒出區(qū)的混合區(qū)，距掘進(jìn)面10-20m為瓦斯及一氧化碳等有毒氣體的聚集區(qū)，因此該區(qū)域要設(shè)置兩個移動無線通信終端設(shè)備實(shí)時采集環(huán)境參數(shù)。根據(jù)PLC外部I/O數(shù)量決定PLC的類型，PLC內(nèi)部中間包含了上百個元件，本研究選擇的是FX2N-48MR系統(tǒng)PLC，其功能強(qiáng)、速度快，擴(kuò)展I/O可達(dá)256個，能夠?qū)崿F(xiàn)多種特殊功能的擴(kuò)展，可以很好地滿足本研究的設(shè)計需求。

2.3 PLC控制系統(tǒng)的主電路設(shè)計

上文中提到本研究采用相互獨(dú)立的兩組風(fēng)機(jī)操作系統(tǒng)，一組用于正常工作，另外一組用于檢修備用，每組風(fēng)機(jī)系統(tǒng)包括兩套風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，因此PLC控制接觸器需要控制四套風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的操作。風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中三相異步電動機(jī)額定功率為90kW，在啟動階段需要選擇合理的電動機(jī)降壓啟動方式，才能保證電動機(jī)的安全性。一般情況下，三相異步電動機(jī)降壓啟動控制電路主要為4種，即串電阻降壓啟動控制、串自耦變壓器降壓啟動控制、Y-Δ降壓啟動控制及延邊Δ降壓啟動控制，在輕載條件下YΔ降壓啟動控制電路比較適用，因此本研究采用該控制電路。電動機(jī)啟動時電動機(jī)定子繞組接成Y接法降壓啟動，運(yùn)行過程中電動機(jī)定子繞組接成Δ接法全壓行，由于采用的是封閉式負(fù)載風(fēng)機(jī)，因此可以直接采用機(jī)械能耗衰減制動。

根據(jù)數(shù)量不同PLC輸入電路分為直流輸入與交流輸入兩類，本研究電動機(jī)采用的是直流輸入電路中漏型輸入電路；PLC輸出電路包括繼電器輸出、晶體管輸出、晶閘管輸出等，本研究出于經(jīng)濟(jì)性考慮采用繼電器輸出電路。該P(yáng)LC具有24個輸入端口、23個輸出端口，所有輸入端口共用一個COM端，輸出端口每4個共用一個COM端，共6個COM端。每個端口均有對應(yīng)的映射關(guān)系及端口作用說明。程序運(yùn)行過程中不能同時執(zhí)行手動控制程序與自動控制程序，因此需要設(shè)置一個選擇手動程序及自動程序的開關(guān)以切換手動模式與自動模式。PLC負(fù)載的驅(qū)動采用220V、50Hz交流電電源，通過其內(nèi)部配置的專用開關(guān)式穩(wěn)壓電源將220V交流電轉(zhuǎn)換為PLC需要的工作電源，并為輸入端口外部輸入元件提供24V直流電電源。

2.4 PLC通風(fēng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

本研究采用GX Developer編程軟件進(jìn)行軟件系統(tǒng)的設(shè)計，其標(biāo)準(zhǔn)化程序設(shè)計如下：標(biāo)號編程，根據(jù)標(biāo)示制作成標(biāo)準(zhǔn)程序，能夠依據(jù)匯編作為實(shí)際程序來使用。功能塊的主要作用是提高順序程序的開發(fā)效率，順序程序回路塊在開發(fā)順序程序時需要反復(fù)使用，通過功能塊可以將其零件化處理，不僅提高了順序程序開發(fā)的簡便性，而且能夠避免將其運(yùn)用于別的順序程序時順序輸入錯誤。在任務(wù)回路模式上加上宏定義名登錄文件，輸入簡單的命令即可讀出登錄過的回路模式，能夠更加靈活地應(yīng)用變更軟元件。本研究采用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為Zig Bee技術(shù)，Zig Bee協(xié)調(diào)器通過接口向PLC及PC機(jī)中傳送采集到的參數(shù)，Zig Bee協(xié)調(diào)器外圍設(shè)備中設(shè)置兩個RS-232口向PLC及PC機(jī)中傳送數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用3.3V供電，需要使用SP3223電平轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。Zig Bee主芯片提供USART0、USART1兩個功能相同的串行通信接口，URAT模式中接口使用2線，也可采用包含有RXD、TXD、RTS、CTS的4線。Zig Bee協(xié)調(diào)器與PLC之間采用RS-232通信標(biāo)準(zhǔn)，通過SP3223E芯片完成Zig Bee協(xié)調(diào)器無線傳輸模塊擴(kuò)展板的RS-232串口設(shè)計，需要注意一點(diǎn)，F(xiàn)X2N串口的通信標(biāo)準(zhǔn)為RS-422，因此需要通過轉(zhuǎn)換器將RS-422轉(zhuǎn)換為RS-232。Zig Bee協(xié)調(diào)器在與PLC通信過程中為主從關(guān)系，初始命令由Zig Bee協(xié)調(diào)器發(fā)出根據(jù)指令做出響應(yīng)，上位機(jī)與PLC進(jìn)行通信應(yīng)答測試，整個過程PLC無論是讀數(shù)據(jù)還是寫數(shù)據(jù)都是由Zig Bee協(xié)調(diào)器發(fā)出響應(yīng)，PLC始終處于被動響應(yīng)的地位。PLC與PC端的通信采用的同樣是RS-422轉(zhuǎn)換為RS-232的編程電纜形式，不過由于PLC與Zig Bee協(xié)調(diào)器采用的是編程電纜，需要通過FX2N-485-BD模塊擴(kuò)展通信接口。采用JaRa2102轉(zhuǎn)換器將RS-485標(biāo)準(zhǔn)信號轉(zhuǎn)換為PC機(jī)串行通信的RS-232標(biāo)準(zhǔn)信號，并在實(shí)際過程中采用光線隔離技術(shù)。

3 結(jié)束語

總之，作為我國的一項(xiàng)支柱產(chǎn)業(yè)，煤炭行業(yè)經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，其生產(chǎn)過程中涉及到的各種設(shè)備也越來越先進(jìn)，煤礦生產(chǎn)中所采用的自動化設(shè)備也越來越多，大大提高了煤礦生產(chǎn)的效率。但是與其他行業(yè)相比，煤礦行業(yè)具有顯著的特殊性，生產(chǎn)人員要深入地下進(jìn)行生產(chǎn)操作及設(shè)備的維護(hù)，使得生產(chǎn)人員的安全性受到很大威脅。因此在煤礦設(shè)備自動控制中引進(jìn)PLC技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了可靠、先進(jìn)的自動化控制，該系統(tǒng)能夠?qū)律a(chǎn)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，并通過設(shè)備的自動控制提高生產(chǎn)效率，提高了煤礦生產(chǎn)的安全性及有效性。相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，PLC的性能會得到不斷地優(yōu)化，在煤礦生產(chǎn)中的應(yīng)用將會越來越廣泛。