采煤機(jī)PLC電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張帥

（西山晉興能源公司斜溝煤礦，山西太原033601）

引言

PLC即（Programmable logic Controller），是一種可編程的機(jī)械設(shè)備電子控制器，通過對PLC的使用可以實(shí)現(xiàn)大型機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化操作與運(yùn)行，PLC電控系統(tǒng)是通過計(jì)算機(jī)控制的運(yùn)算程序，將設(shè)定程序保存在系統(tǒng)存儲器中，然后通過人工操作指令，實(shí)現(xiàn)對機(jī)械設(shè)備的操作和控制。隨著我國煤炭行業(yè)設(shè)備的不斷更新和發(fā)展，機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化成為煤炭行業(yè)的發(fā)展趨勢，在采煤機(jī)自動(dòng)化過程中，PLC電控系統(tǒng)就是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自動(dòng)化的重要技術(shù)支撐，本文以煤礦作業(yè)中所使用的某型號采煤機(jī)為例，設(shè)計(jì)PLC電控技術(shù)在采煤機(jī)作業(yè)中的應(yīng)用方案，初步設(shè)計(jì)PLC電控系統(tǒng)的功能和操作，為采煤自動(dòng)化提供一定的實(shí)踐支持。

1 采煤機(jī)電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與設(shè)計(jì)要求

1.1 采煤機(jī)電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

煤礦中所用采煤機(jī)的電控系統(tǒng)主要由電控箱、高壓箱、分線盒、遙控器以及各部分的功能電機(jī)組成，采煤機(jī)PLC電控系統(tǒng)的核心部位位于電控箱內(nèi)部，主要包括主控系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、接觸器、隔離開關(guān)、顯示器、操作面板以及電壓、電流的調(diào)控器等功能組件。電控箱主要通過對系統(tǒng)功能、指令的操作來實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)的指揮和控制，是采煤機(jī)PLC電控技術(shù)的核心。高壓箱內(nèi)部主要分布有主變壓器、變頻器、牽引接觸器等元件，對采煤機(jī)進(jìn)行變頻牽引，完成電控箱對采煤機(jī)的指令。分線盒主要是采煤機(jī)與PLC電控系統(tǒng)連接的各部分線路，遙控器及其他功能電機(jī)都是PLC系統(tǒng)對采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)控制的輔助設(shè)施。

1.2 采煤機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

采煤機(jī)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求主要是通過對采煤機(jī)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的自動(dòng)化功能，如采煤機(jī)的啟動(dòng)、停止以及遙控操作；采煤機(jī)的變頻牽引，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)采煤方向的控制和選擇，并控制采煤機(jī)采煤的勻速運(yùn)轉(zhuǎn)；采煤機(jī)對煤層的切割控制，包括切割部位的升降等動(dòng)作控制；切割電機(jī)的電流、電壓保護(hù)以及其他保護(hù)裝置；其次，還需要對采煤機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中各類參數(shù)進(jìn)行顯示、儲存并生成操作日志等；另外，還需要對煤礦采煤層的工作環(huán)境進(jìn)行適時(shí)監(jiān)測，如瓦斯報(bào)警、斷電保護(hù)等。

基于采煤機(jī)的功能和作業(yè)要求使采煤機(jī)在作業(yè)中必須實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、牽引、采煤、切割、勻速運(yùn)轉(zhuǎn)、升降等動(dòng)作，還需在作業(yè)過程中對周圍環(huán)境以及作業(yè)過程進(jìn)行詳細(xì)的監(jiān)測和記錄，因此采煤機(jī)電控系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)這些功能，在電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面也應(yīng)當(dāng)滿足這些基本功能。

2 采煤機(jī)PLC電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

采煤機(jī)PLC電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，需要根據(jù)采煤機(jī)的型號對PLC電控系統(tǒng)性能進(jìn)行選擇，不同的采煤機(jī)匹配不同的PLC電控系統(tǒng)，采煤機(jī)的PLC電控系統(tǒng)主要由主管理器即PLC系統(tǒng)、變頻器、變頻器控制模塊、遙控器及遙控器控制模塊、接收器及接收器控制模塊、數(shù)據(jù)編碼傳送模塊以及電流電壓、瓦斯監(jiān)控、顯示器等模塊組成，其中PLC電控系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其他系統(tǒng)為輔助裝置。

2.1 采煤機(jī)PLC系統(tǒng)運(yùn)行原理

采煤機(jī)PLC系統(tǒng)的控制原理即通過采煤機(jī)PLC系統(tǒng)的各個(gè)組件，形成遠(yuǎn)程回路，通過前置電源開關(guān)將系統(tǒng)啟動(dòng)，之后系統(tǒng)進(jìn)入開機(jī)自檢狀態(tài)，對整個(gè)系統(tǒng)的漏電、絕緣等隱患進(jìn)行檢測[1]。開機(jī)后，PLC系統(tǒng)通過開關(guān)和所存儲的數(shù)據(jù)對采煤機(jī)各方面功能發(fā)送指令信號，所有指令通過PLC中控系統(tǒng)輸出，通過對采煤機(jī)接觸器的控制啟動(dòng)并操作采煤機(jī)進(jìn)行切割、采煤、牽引、升降等動(dòng)作，采煤機(jī)司機(jī)通過無線遙控對采煤機(jī)進(jìn)行操作時(shí)，操作按鍵信號也可通過無線遙控器對PLC系統(tǒng)傳輸，經(jīng)過PLC系統(tǒng)運(yùn)算分別生成不同的操作指令，以控制采煤機(jī)的作業(yè)。采煤機(jī)操作人員可以通過中控臺和遙控器實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)的遠(yuǎn)程控制和指揮，通過操作按鈕實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)方向、力度、開啟、停止等方面的控制，做到人機(jī)有效互動(dòng)。

2.2 采煤機(jī)PLC系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

采煤機(jī)PLC系統(tǒng)性能的設(shè)計(jì)和選擇就是需要設(shè)計(jì)人員通過對采煤機(jī)型號的了解和掌握，選擇合適的PLC型號與合適的輸入、輸出點(diǎn)。從而對采煤機(jī)系統(tǒng)指令的設(shè)計(jì)進(jìn)行合理分配和布置，如圖1、圖2所示，本設(shè)計(jì)開關(guān)總數(shù)為25個(gè)，其中開關(guān)輸出點(diǎn)9個(gè)，開關(guān)輸入點(diǎn)16個(gè)，分別對采煤機(jī)的行駛、牽引、供電、升降、加速、減速、變頻、松閘等不同功能和作業(yè)情況進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)以PLC系統(tǒng)為核心的采煤機(jī)自動(dòng)化運(yùn)行操作[2]。

圖1 PLC開關(guān)量輸出

圖2 PLC開關(guān)量輸入

本設(shè)計(jì)選用的開關(guān)模塊為GT90-30PLC，參考該開關(guān)模塊的設(shè)備手冊，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，參照開關(guān)特點(diǎn)，進(jìn)行詳細(xì)的參數(shù)設(shè)定。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要滿足對設(shè)備運(yùn)行溫度的檢測和控制，因此在本設(shè)計(jì)中，將采煤機(jī)的切割部位與牽引部位的電動(dòng)機(jī)與電阻傳感器相連，增加了變壓器溫度檢測和保護(hù)的功能。

另外，在PLC電控系統(tǒng)電源的選擇和使用方面，需要根據(jù)PLC系統(tǒng)的CPU功率來進(jìn)行，本設(shè)計(jì)選用的PLC電控系統(tǒng)CPU為350型，350型CPU可以提供的開關(guān)數(shù)量為4 096個(gè)，具備10 kB的寄存器和80 kB的用戶存儲器，能夠?qū)崿F(xiàn)閃存，運(yùn)行速度較快，且支持SNP協(xié)議，通過電源與CPU的連接，可實(shí)現(xiàn)通信接口與觸摸式顯示屏的配置，一定程度上增加了人機(jī)互動(dòng)的便捷性[3]。

2.3 采煤機(jī)PLC系統(tǒng)功能分配

采煤機(jī)PLC電控系統(tǒng)的程序主要由一個(gè)主程序和多個(gè)子程序構(gòu)成，子程序與主程序之間設(shè)置良好的數(shù)據(jù)接口和算法，通過對以下不同數(shù)字指令的輸入與人機(jī)互動(dòng)實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)的遠(yuǎn)程控制和指揮（如表1所示）。

表1 采煤機(jī)PLC控制的I/0分配

在實(shí)際的操作和控制方面，操作人員只需要根據(jù)PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)簡化指令進(jìn)行，如I0.1即表示采煤機(jī)左切割電機(jī)啟動(dòng)，I0.2則表示采煤機(jī)左切割電機(jī)的停止等，不同的數(shù)字操作指令代表不同的采煤機(jī)操作動(dòng)作，操作人員只需掌握采煤機(jī)的運(yùn)作原理和PLC系統(tǒng)的各指令說明即可實(shí)施遙控操作，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的自動(dòng)化作業(yè)。

3 采煤機(jī)PLC電控系統(tǒng)程序的應(yīng)用

采煤機(jī)PLC電控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、保護(hù)、輸出、開關(guān)以及信息采集與處理等功能，PLC系統(tǒng)通過一定規(guī)則的算法實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)恒定功率的控制，從而使采煤機(jī)在前后左右的作業(yè)過程中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定操作，提高采煤的效率和煤層的穩(wěn)定系數(shù)。

在PLC電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，通過對采煤牽引機(jī)恒定功率的設(shè)計(jì)，利用PLC電控系統(tǒng)對采煤機(jī)的恒定功率、電流以及電壓、牽引保護(hù)等方面進(jìn)行保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過軟件實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)供電的恒定性，能夠有效保證采煤機(jī)在復(fù)雜的井下工作環(huán)境中通過恒定的電流實(shí)現(xiàn)安全、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行。

另外，在對采煤機(jī)PLC電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用梯形圖的編程語言，通過程序語言的運(yùn)用，一方面可以使PLC系統(tǒng)的主程序與子程序結(jié)構(gòu)和連接的高度優(yōu)化，使程序結(jié)構(gòu)較為清晰，而且還具備一定量的存儲空間。相對于其他設(shè)計(jì)語言來說，梯形圖編程語言其系統(tǒng)維護(hù)成本較低，節(jié)省了系統(tǒng)的存儲空間，提升系統(tǒng)運(yùn)行速度，優(yōu)化PLC系統(tǒng)對采煤機(jī)的平穩(wěn)指揮。

4 結(jié)語

采煤機(jī)PLC電控系統(tǒng)的應(yīng)用可以有效實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)功率的平穩(wěn)輸出，PLC控制系統(tǒng)集合了控制中心、變頻技術(shù)、動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、熱感系統(tǒng)等，將采煤機(jī)的工作環(huán)境和工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)、遠(yuǎn)程遙控等操作，提升了采煤機(jī)的運(yùn)行平穩(wěn)性，提高了井下煤層采集的安全性。實(shí)踐表明，PLC電控系統(tǒng)能夠滿足采煤機(jī)以及現(xiàn)代采煤工作面的需求。

[1]成俊森.煤礦皮帶運(yùn)輸機(jī)中PLC技術(shù)的應(yīng)用[J].技術(shù)與市場，2014（4）：112-113.

[2]呂海軍.采煤機(jī)PLC電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].能源技術(shù)與管理，2015（6）：89-90.

[3]朱曉芳，楊立東，李艷慧.電牽引采煤機(jī)PLC載波電控系統(tǒng)[J].工礦自動(dòng)化，2009（5）：67-68.