PLC在交流電牽引采煤機電氣控制系統中的應用

劉冬梅

（荊楚理工學院 電子信息工程學院，荊門 448000）

1 PLC的特點

1）PLC是一個可編程邏輯控制器。它對一類可編程的存儲器進行采用，在其內部存儲程序，邏輯運算執行方面，計數和算術運算等面向用戶發出的指令，并通過數字或模擬輸入/輸出方面，對各種類型的機械以及生產過程進行控制。PLC具有以下優點：

（1）系統構成靈活，擴展容易，以開關量控制為其特長；也能進行連續過程的PID回路控制；并能與上位機構成復雜的控制系統，實現生產過程的綜合自動化。

（2）使用方便，編程簡單，采用簡明的梯形圖、邏輯圖或語句表等編程語言，而無需計算機知識，因此系統開發周期短，現場調試容易。另外，可在線修改程序，改變控制方案而不拆動硬件。

（3）能適應各種惡劣的運行環境，抗干擾能力強，可靠性強，遠高于其他各種機型。

2）隨著社會經濟的發展，世界各個采煤國越來越多以電牽引采煤機作為主導機型。為了滿足高速工作面和提高效率，采煤機必須大大提高牽引速度，牽引力也應相應增加。交流電牽引采煤機適用于現代化礦井中，在礦井作業時既可保證高產生產，又能提高效率。先進的電子設備，可靠的控制系統，以確保整體性能和采煤機提高其可靠性具有極其重要的影響。因為采煤機有著復雜及惡劣的工作環境，會產生比如較強的電磁干擾、工作時會有強烈的振動、電源不穩定等等，高功率的變頻器，并有大量的電力污染和灰塵，濕度和其他許多嚴重的不利因素，這些都對采煤機電氣控制系統的設計提出更高的要求。MG在中國的系列在主板上的逆變器型交流牽引采煤機電氣控制系統設計，充分考慮到可編程控制器PLC被充分考慮，其硬件和軟件技術是日趨完善的，并具備很強的抗干擾，配置靈活性和高可靠性，更適合在惡劣環境下使用。因此使用PLC電氣控制系統的核心組件，再加上自主開發的專有接口，實現采煤機控制系統，監測，保護和展示。

2 電子控制系統控制

AC逆變器板式牽引采煤機，電子控制系統實現了操作，具有控制和保護功能：

1）根據開采過程中，煤炭開采作業需要的驅動器來控制主機的啟動和停止，速度控制牽引動力傳輸/電源；

2）為了便于司機對采煤機做到靈活使用，設有機身末端控制器、機身中央控制箱面板以及無線電遙控操作，這三種方法可以靈活應用；

3）恒功率電機和重型自動反向自動牽引控制方面的實現；

4）切割和牽引電機過流和溫度保護，包括：四臺電機反時限電流繼電器的保護，以保護電機塊；高溫作業時，對保護整定值進行自動調整；電機過熱時會進行報警，并且在斷電的時候可以起到保護作用；

5）對搖臂進行升或降；

6）用中文顯示運行參數，自動鎖定故障以及參數記憶。

3 系統硬件和系統結構配置

為了對以上資料進行說明，本文采用了美國通用電氣公司GEFanuc90-30PLC當作控制系統的主要部件。具體硬件結構如表1所示。

表1 采煤機電控系統PLC硬件配置表

在這個系統中，從采煤機作戰指揮中的控制面板中，從無線電遙控信號接收器和水信號通過布線故障邏輯處理的第一個信號結束后變換處理操作后，32點數字到PLC的輸入模塊MDL655（觸點輸入），ALG442為/2路模擬量輸出模塊，4路12位模擬量輸入模塊。該模塊對牽引電機電流信號以及兩截割電機進行采樣和轉換。可以用在變頻器的輸出頻率上，也可以對采煤機牽引速度的模擬信號進行調節。內切速電機繞組的溫度檢測熱敏電阻Pt-100，是直接連接RTD600溫度模塊，模塊的Pt-100電阻隨溫度變化，相應的數字檢測點。采煤機發送到變頻器的控制/電源，增加牽引方向以及搖臂電磁閥，可以從十六點繼電器輸出模塊MDL655發射信號。國外DEC生產的，帶有觸摸屏功能的液晶顯示器的智能GP和SNP的串行通信協議模塊PLC電源的RS-485兼容串行端口。由于帶內的32位顯示和豐富的顯示RISCCPU。控制軟件，與PLC接口簡便，PLC的一點點耗費時間來控制顯示和存儲空間。安裝在兩端都采煤機身體兩端和控制站遠離PLC控制項目在管制站內的第一個脈沖代碼的控制信號，然后發送到串行電氣控制箱中。由于PLC不能對信號直接進行反應，只有先經端頭操作的第一個接口單元，然后轉換到PLC。同樣，從遠程發射器發送154MHz無線電遙控器無線接收單元接收的信號，變頻，解調，解碼過程，并到PLC，然后進行處理。

4 計算機數據信號處理單元

1）主要用于交流變頻控制信號和數據處理，顯示的測試程序所需要的數據收集細胞。核心設備是：（1）工業控制計算機（包括輸入和輸出接線板，模擬量以及數字量）?？梢詫Ω鞣N信號和數據進行輸入，并且可以按照試驗的要求，對信號和數據進行顯示和處理，并且具備多種通訊能力的接收能力，也可以與交流變頻器保持通訊聯系。（2）彩色打印機。能夠對各種實驗報告以及曲線、圖表做出打印。（3）信號調理變送電路。將需要的各種計算機信號輸入到計算機，在計算機輸入信號，數據調理到周邊設備所需的形式。

2）煤機的控制和監視系統測試裝置

本機主要用于測試采煤機的控制監控系統，由以下三個部分組成：（1）監測信號模擬發生電路。對采煤機截割部或牽引部等處的溫度、壓力的檢測信號做出模擬，以取代原來的信號送至測試中心，信號可以改變指定范圍內的測量，并具備校準能力。（2）采煤機操作信號模擬發生電路。采煤機可以對各種信號發出模擬，比如傳輸，牽啟，左，右線等，可以對采煤機各部的動作進行控制，并取代原先的信號。（3）采煤機顯示電路，并對動作做出響應?？梢蕴娲擅簷C在控制中心做出信號輸出，以回應指示。

3）主要測試功能的綜合測試臺。

5 交流變頻調速功能測試單位

1）交流變頻調速功能測試單位，包括：（1）實現交流變頻電機性能測試；（2）牽引電機電氣和機械性能測試；（3）檢查交流電機驅動器保護。

要測試項目有：負載測試，測試驅動器工作性能、對加載、溫升、電壓波動、速度調節范圍等。

2）計算機信號數據處理以及單元功能顯示

（1）收購AC逆變器單元發出的測試信號、數據，按照交流變頻調速試點項目的具體要求，對數據進行處理，并打出相應的測試報告。（2）試點項目規范，通過菜單對計算機程序和屏幕進行設置，控制單元交流變頻速度測試試點項目。（3）檢測單位是連接不同型號的電牽引采煤機，完成對采煤機控制中心，檢測中心和電力牽引性能測試部的完全控制。

3）采煤機控制單元功能測試監控系統，包括：（1）采煤機的控制中心系統，采煤機故障檢測；（2）采煤機具有調整控制中心以及對參數調整的功能；（3）采煤機監控中心信號，數據采集功能測試；（4）采煤機其他控制元件功能測試；（5）手控、應急手控、終端站和遠程控制功能測試；（6）電力牽引部，切割機，泵站和電力性能測試；（7）串行通信采煤機控制監測系統的性能測試。

6 系統軟件結構

1）系統軟件結構由控制保護算法以及顯示控制這兩部分組成，可以采用梯形圖形式編寫組成PLC控制軟件，圖形化編程構成顯示器。

十個模擬輸入，一個模擬輸出和三十九個數字輸入和輸出組成了PLC處理的數據。雖然PLC切換的處理能力是很強的，但這些中小型PLCGEFunac90-30，算術功能弱，缺乏像靈活的支持梯形圖編程地址尋址指針，所以在這個模擬系統的軟件設計處理重點和難點。在設計中，為每個模擬輸入設置一個單獨的FIF0隊列，以盡量減少長字操作，以滿足響應時間的前提下減少耗時的濾波操作其他一些方法，提高十路模擬信號的數字濾波效率。在實際操作時，以0.4ms/千步的PLC內完成10道820ms的話均值濾波的深度，比平均濾波算法快約30%的重復積累。此外，通過設置一個大數組使用處理數據的下標操作符的方法，這樣的方法不僅可以提高處理效率，并具有靈活性。

在PLC程序里，一般采用了子程序對結構進行設計，它具有一個明確的方案結構，維修方便的優勢，可以節省寶貴的內存資源PLC。PLC控制程序，由十個子程序和一個主要程序組成，其中，每個子程序可以獨立于具體的函數，并且子程序能明確接口之間的算法和數據之間的關系。例如，在模擬的預處理時，編制專門的子程序，移位操作使用FIF0隊列組成，數字濾波以模擬數據方式輸入。

2）前面對提高系統的抗干擾性以及可靠性能進行描述，因為交流電牽引電氣控制系統的工作環境復雜。在PLC的采礦電氣控制系統的核心設計，以確保該系統能在這樣的環境下可靠運行，由此想出了以下辦法：

（1）在PLC中已安裝防震動的加固措施，封閉濕度和灰塵的電子控制系統；

（2）采用寬輸入電壓范圍內控制電源開關，保持發電能力的40%至50%；

（3）在電路設計部分，為了確保設備的耐壓能力以及額定功率超過兩倍以上，最大限度地使用工業級元件；

（4）控制系統裝備在屏蔽腔內，全部使用雙絞線以及屏蔽電纜作為控制電纜。對系統使用嚴密的隔離手段；對輸入輸出口用光耦和繼電器進行隔離；

（5）對必須通過長距離傳輸的電信號，盡可能地對有用信號的幅度進行放大，以提高信號噪聲比，信號接收電路以降低輸入阻抗，并使用帶通濾波器，和許多其他的綜合性措施，以減少信號電路的噪聲干擾的頻率和其他電氣設備；

（6）在收集電流和溫度信號控制軟件，該軟件的過濾器可排除所有“離群值”，通過分析信號的過渡系統的經驗正常參數相結合，傳感器故障診斷，減少保護誤動造成停電。

7 結束語

1998年7月，晉城礦務局率先使用了裝備有PLC電控系統的第一臺交流電牽引采煤機。這臺電牽引采煤機在井下使用一年后結果表明，這種電控系統，不僅能起到基本控制的作用，還有保護功能，在準確性、可靠性以及響應速度方面，都可以比其它的電控系統提供更高要求。它具有LCD寬大屏幕的顯示器，可以檢測到系統故障，可以跟蹤記錄工作狀態，在操作的時候可以適時提示，毫無疑問地受到用戶的喜好。

[1]王永華.現代電氣控制及PLC應用技術[M].航空航天大學出版社,1999.

[2]周美蘭,周封,忘岳宇.PLC電氣控制與組態設計[C].出版社,2001.

[3]謝子殿,沈顯慶,王蘊恒.電牽引采煤機電氣控制技術[M].東南大學出版社,2011.

[4]王守彪.綜合機械化采煤機械[M].中國勞動社會保障出版社,2006.

[5]王國法.高效綜合機械化采煤成套裝備技術[M].中國礦業大學出版社,2008.