基于PLC 控制器的煤礦卡軌車控制系統(tǒng)研究

霍志峰

（山西新元煤炭有限責(zé)任公司， 山西 晉中 045300）

0 引言

煤礦開采過程中卡軌車是重要的輔助運(yùn)輸裝備，其性能好壞會(huì)在一定程度上影響煤礦開采效率[1]。近幾年，隨著我國煤礦領(lǐng)域朝著機(jī)械化、自動(dòng)化等方向發(fā)展，煤礦開采效率有了大幅度提升，礦井中的運(yùn)輸系統(tǒng)任務(wù)日趨繁重[2]。礦井中比較傳統(tǒng)的蓄電池機(jī)車以及絞車由于運(yùn)輸效率較低，難以滿足輔助運(yùn)輸系統(tǒng)的實(shí)際要求。此時(shí)配套先進(jìn)控制系統(tǒng)的煤礦卡軌車的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)，在礦井中的應(yīng)用越來越廣泛[3]?；谙冗M(jìn)的PLC 控制器設(shè)計(jì)研究了煤礦卡軌車控制系統(tǒng)，將其應(yīng)用到工程實(shí)踐中，取得了良好的效果。對(duì)于提升卡軌車運(yùn)行可靠性，保障煤礦運(yùn)輸效率具有重要的工程實(shí)踐意義。

1 卡軌車系統(tǒng)概述

以KSD140J 型卡軌車為對(duì)象進(jìn)行研究，利用PLC 控制器和變頻器設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)。該型號(hào)卡軌車的最大牽引力為140 kN，最長(zhǎng)運(yùn)輸距離為2 200 m，牽引速度和爬坡能力分別為0～3 m/s 和≤30°，主繩輪和尾繩輪的直徑分別為1 900 mm 和1 640 mm。設(shè)備中使用的電機(jī)主要有三個(gè)，分別為主電機(jī)、風(fēng)冷電機(jī)和泵站電機(jī)，其中主電機(jī)的功率為280 kW，另外兩臺(tái)電機(jī)的功率均為3 kW，工作時(shí)的電壓均為660 V。為了對(duì)卡軌車的運(yùn)行速度進(jìn)行精確控制，需要使用變頻器配合PLC 控制器對(duì)設(shè)備進(jìn)行精準(zhǔn)控制[4]。為了保障變頻器的運(yùn)行穩(wěn)定性，要求具備有長(zhǎng)時(shí)間過載運(yùn)行的能力。

2 卡軌車控制系統(tǒng)主要硬件

2.1 PLC 控制器組成

PLC 控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)中的核心構(gòu)成部分，其性能好壞會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生直接影響[5]。在分析不同類型PLC 控制器性能及價(jià)格的基礎(chǔ)上，選用的是西門子公司研制生產(chǎn)的S7-300 型PLC 控制器，該型號(hào)控制器在工業(yè)領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用，且應(yīng)用效果良好，如圖1 所示為S7-300 型PLC 控制器的主要構(gòu)成模塊?？刂葡到y(tǒng)中的PLC 控制器采用冗余設(shè)計(jì)，即設(shè)置一個(gè)主用控制器，一個(gè)備用控制器。

由圖1 可知，基于PLC 控制器的控制系統(tǒng)采用模塊化思路設(shè)計(jì)，整個(gè)控制器由不同的模塊構(gòu)成。其中CPU 模塊型號(hào)為6ES7315-2EH14-0AB0，具有豐富的接口，包括兩個(gè)DP 接口和兩個(gè)以太網(wǎng)接口，需要24 V DC電源進(jìn)行供電。電源模塊型號(hào)為6ES7307-1BA01-0AA0，可以為包括CPU 在內(nèi)的各模塊提供電源服務(wù)，輸出的電壓和電流分別為24 V 和2 A。數(shù)字量輸入和輸出模塊的型號(hào)依次為6ES7321-1BH02-0AA0 和6ES7322-1HH01-0AA0，可以完成16 點(diǎn)數(shù)字量的輸入或輸出，工作時(shí)電壓為24 V，前者主要是對(duì)各開關(guān)量信號(hào)進(jìn)行采集，后者主要是對(duì)各開關(guān)閘閥進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。模擬量輸入和輸出模塊的型號(hào)分別為6ES7321-7NF00-0AB0 和6ES7322-5HB01-0AB0，前者的作用是對(duì)各類傳感器的信號(hào)進(jìn)行采集，后者的作用是輸出信號(hào)對(duì)變頻器進(jìn)行控制。

2.2 外圍主要信號(hào)器件組成

1）光耦隔離電路板。隔離電路板的作用是對(duì)本安回路和非本安回路進(jìn)行有效隔離，避免兩者之間相互影響，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性造成不良影響。比如操作臺(tái)下達(dá)的控制指令需要通過隔離電路板后再輸入到PLC 控制器中，圖2 所示為光耦隔離電路板引腳接線原理圖。

圖2 光耦隔離電路板引腳接線原理圖

2）溫度變送器。選用的溫度變送器型號(hào)為PT100，其原理是利用熱敏電阻將電動(dòng)機(jī)中的溫度變化轉(zhuǎn)變成為電阻變化，再通過電路轉(zhuǎn)變成為標(biāo)準(zhǔn)的模擬量電壓信號(hào)。模擬量信號(hào)需要利用A/D 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)后才能輸入到PLC 控制器。

3）配電器。選用的型號(hào)為DM355，作用是將一路電流信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)換后輸出兩路一樣的電流信號(hào)。本系統(tǒng)中使用了兩套PLC 控制器，所以傳感器的檢測(cè)結(jié)果和開關(guān)信號(hào)需要轉(zhuǎn)換成兩路信號(hào)，分別輸入到兩個(gè)PLC 控制器中。

4）增量型軸編碼器。選用的編碼器型號(hào)為ZKT-15A-51.2B-G24C，需要利用24 V DC 電壓對(duì)其進(jìn)行供電，其作用是對(duì)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量。

5）頻率量輸入隔離柵。選用的設(shè)備型號(hào)為GS8054-EX，作用是對(duì)檢測(cè)到的脈沖信號(hào)進(jìn)行隔離，避免對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性造成影響。

2.3 隔爆變頻器

結(jié)合實(shí)際情況選用的變頻器型號(hào)為D7260，屬于礦用隔爆安全型變頻器，主要為ABB 公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，能滿足礦井復(fù)雜的工況環(huán)境。變頻器可以對(duì)啟動(dòng)器的輸出信號(hào)進(jìn)行采集，同時(shí)接受PLC 控制器的控制，對(duì)輸出電壓頻率進(jìn)行調(diào)整，從而改變電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速。另外變頻器還可以對(duì)相關(guān)信號(hào)進(jìn)行返回，比如變頻器自身的運(yùn)行狀態(tài)、故障信號(hào)等，輸入到PLC 控制器中。

3 卡軌車控制系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的總體工作流程

圖3 所示為基于兩個(gè)PLC 控制器的卡軌車控制系統(tǒng)總體工作流程。如圖3 可知，系統(tǒng)開始工作后，先對(duì)工作模式進(jìn)行選擇，有兩種模式，分別為工作狀態(tài)和檢修狀態(tài)。進(jìn)入工作狀態(tài)后需要選擇手動(dòng)控制模式和自動(dòng)控制模式。不管是何種控制模式，都需要在1號(hào)和2 號(hào)PLC 控制器中選擇一個(gè)對(duì)卡軌車進(jìn)行控制運(yùn)行。兩個(gè)PLC 控制器之間可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，當(dāng)其中一個(gè)控制器出現(xiàn)故障時(shí)，另一個(gè)控制器可立即投入使用，從而保障控制系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

圖3 控制系統(tǒng)的總體工作流程

卡軌車控制系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，需要控制相關(guān)設(shè)備依次啟動(dòng)，啟動(dòng)的順序依次為泵站、安全閘、變頻器、風(fēng)冷電機(jī)、工作閘、主電機(jī)等，啟動(dòng)過程中只有當(dāng)前面設(shè)備正常運(yùn)行后，后續(xù)設(shè)備才能開啟。當(dāng)卡軌車需要停機(jī)處理時(shí)，控制系統(tǒng)同樣需要對(duì)上述設(shè)備依次進(jìn)行停機(jī)處理，順序正好與上述相反。

3.2 系統(tǒng)運(yùn)行主界面設(shè)計(jì)

圖4 所示為煤礦卡軌車控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的主界面圖。該界面不僅可以對(duì)卡軌車運(yùn)行時(shí)的關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行顯示，比如可以顯示主電機(jī)和減速機(jī)的溫度、設(shè)備運(yùn)行速度和主電機(jī)轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，還可以對(duì)卡軌車的運(yùn)行情況進(jìn)行控制，比如控制卡軌車的前進(jìn)和后退，切換1 號(hào)和2 號(hào)PLC 控制器的運(yùn)行情況等。

圖4 卡軌車控制系統(tǒng)運(yùn)行主界面

4 控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果分析

將設(shè)計(jì)的基于S7-300 型PLC 控制器的控制系統(tǒng)安裝到煤礦卡軌車工程實(shí)踐中，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)控制系統(tǒng)的各項(xiàng)功能進(jìn)行調(diào)試后正式投入使用。調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)控制系統(tǒng)中設(shè)置的兩套PLC 控制器能夠正常切換，通過控制器的冗余設(shè)計(jì)，能極大提升控制系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。目前，控制系統(tǒng)在卡軌車中的運(yùn)行時(shí)間超過半年，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員反饋，控制系統(tǒng)整體運(yùn)行良好，能對(duì)卡軌車的運(yùn)行過程進(jìn)行穩(wěn)定和準(zhǔn)確地控制?？刂葡到y(tǒng)的成功投入應(yīng)用，使卡軌車的運(yùn)行效率提升了15%以上，設(shè)備故障率降低了10%以上，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語

以煤礦中使用的卡軌車為研究對(duì)象，利用PLC控制器設(shè)計(jì)了卡軌車的控制系統(tǒng)，將其應(yīng)用到工程實(shí)踐中，效果良好。所得結(jié)論主要有：設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)以PLC 控制器為核心，且采用冗余設(shè)計(jì)，通過使用兩套PLC 控制器來提升控制系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性；系統(tǒng)利用傳感器和開關(guān)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)使用隔離電路板和隔離柵等裝置對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離，提升系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性；系統(tǒng)在啟動(dòng)和停機(jī)過程中，按照順序依次對(duì)各個(gè)裝置進(jìn)行啟動(dòng)和停機(jī)處理；將設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)部署到煤礦工程實(shí)踐中，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)整體性能良好，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。