基于PLC的選煤廠破碎機電氣系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

張緒宇

（1.太原理工大學， 山西 太原 030024； 2.同煤集團地煤公司， 山西 大同 037000）

引言

選煤過程是一個從源頭提高煤炭質(zhì)量與煤炭利用率的過程，具體來說是指通過物理、化學以及微生物等方法降低原煤中的灰分、硫分、巖石等雜質(zhì)的含量。選煤廠的生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)繁瑣、程序復雜，采用了眾多機械設備，如給煤機、振動機、皮帶機、破碎機、犁煤機等。對于每個機械設備，必須根據(jù)監(jiān)視、檢查運行狀態(tài)，協(xié)調(diào)配合運行，并合理設置各種工藝參數(shù)[1]。本文以選煤廠的破碎機為研究對象，給出破碎機電氣系統(tǒng)的系統(tǒng)架構、硬件設計原理、軟件設計原理以及人機界面，為選煤廠破碎機的設計提供參考。

1 系統(tǒng)架構

本文設計的選煤廠破碎機電氣系統(tǒng)主要包括主電控箱以及外接設備，主電控箱中PLC控制器為電氣系統(tǒng)控制的核心，PLC控制器采用倍福的CX8050控制器以及擴展模塊，繼電器用于配合PLC輸入輸出I/O控制；其他電氣元器件還包括變頻器2個，用于控制破碎機左右履帶行走；斷路器、隔離開關以及變壓器，變壓器用于將高壓轉(zhuǎn)換成交流220 V的低壓電源；隔離柵用于隔離模擬量、數(shù)字量I/O；CAN通訊設備用于PLC控制器與人機界面之間的CAN通訊，以及PLC控制器與變頻器直接的CAN通訊。外接設備包括遠程操作箱，用于遠程控制，以及與梨煤機、振動機、皮帶機之間的聯(lián)鎖控制；運輸馬達分為運輸馬達正轉(zhuǎn)以及反轉(zhuǎn)；料斗控制分為料斗升以及料斗降；傳感器組包括檢測液壓油的油溫傳感器、油位傳感器以及檢測壓力的壓力傳感器。外圍設備還包括瓦斯斷電儀、急停開關以及照明燈等[2-3]。該破碎機的系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 選煤廠破碎機系統(tǒng)架構

2 硬件設計

基于PLC的選煤廠破碎機電氣系統(tǒng)的硬件設計，其電氣原理如下頁圖2所示，其中PLC控制器以及數(shù)字量輸入擴展模塊、數(shù)字量輸出擴展模塊、模擬量輸入/輸出擴展模塊、CAN通信擴展模塊以及尾端子為倍福的PLC控制器組以及擴展模塊，其是電氣原理控制的核心，DI擴展模塊式數(shù)字量輸入模塊，與繼電器配合使用，輸入數(shù)字量主要有油泵電機啟動、油泵電機停止、破碎電機啟動、破碎電機停止、急停、油泵電機過熱保護、破碎電機過熱保護、AC127 V漏電、DC24 V漏電以及瓦斯斷電儀等；DO擴展模塊式數(shù)字量輸出擴展模塊，輸出數(shù)字量主要有油泵電機啟動報警、破碎電機啟動報警、履帶行走報警、運輸馬達報警、運輸馬達正反、料斗舉升正、油泵電機啟動、破碎電機啟動、前后照明燈等。模擬量輸入擴展模塊主要接入的模擬量有電機溫度、油溫、油位、壓力以及傾角信號。模擬量輸出擴展模塊主要輸出的模擬量是行走信號，主要用于控制破碎機左右履帶的行走。CAN通訊擴展模塊主要是PLC控制器與變頻器的CAN通訊，以及PLC控制器與HMI人機界面的CAN通訊。HMI人機界面選用步科的MT5320C-CAN，該觸摸屏支持CAN通訊[4]。圖2用框圖的形式描述了選煤廠破碎機硬件電氣原理圖，其中還有隔離開關、斷路器、變壓器、電源模塊以及漏電保護等。

圖2 選煤廠破碎機硬件電氣原理

3 軟件設計

選煤廠破碎機的軟件設計流程如圖3所示，軟件流程主要包括系統(tǒng)初始化、邏輯控制、故障檢測、通訊過程以及HMI處理過程五大部分。其中，系統(tǒng)初始化過程為初始化軟件中用到的系統(tǒng)變量，I/O節(jié)點的延時處理以及檢測電氣開關的初始位置；邏輯控制包括漏電檢測，主要是對油泵電機和破碎電機的漏電檢測過程；電機啟停過程主要是對電機啟動和停止的條件判斷，當滿足電機啟動條件時，按下啟動按鈕后電機啟動，當滿足電機停止過程或有故障時，停止電機；聯(lián)動是指破碎機與皮帶機、犁煤機的聯(lián)合運行過程，滿足聯(lián)合運行條件時，破碎機運行。單機控制過程是指破碎機獨立運行過程，與皮帶機、犁煤機不產(chǎn)生聯(lián)動。故障檢測是對電氣系統(tǒng)的故障檢測，包括輸入變量異常、輸出變量異常、模擬量異常、開關節(jié)點異常、通訊異常等故障，還包括油溫、油位、壓力等模擬量故障以及電機的過熱、過流、過載、缺相、斷相、兩相粘連等故障信息。通訊過程包括PLC與變頻器的CAN通訊以及PLC與HMI人機界面的CAN通訊過程。HMI處理過程是指PLC控制器將破碎機運行的基本信息和故障信息傳遞給HMI人機觸摸屏，以便調(diào)試人員查看和排除故障信息[5]。

4 人機界面

圖3 選煤廠破碎機軟件設計流程

圖4 HMI人機界面

人機界面觸摸屏采用步科的MT5320C-CAN觸摸屏，PLC主控制器通過CAN通訊的方式將破碎機運行時的數(shù)據(jù)信息以及故障信息傳遞給HMI，如圖4所示。在HMI人機觸摸屏中有數(shù)字量、模擬量、故障信息、通訊信息以及遠程控制信息的提示，其中綠色LED表示該變量的值為正常，如果LED顯示為紅色，表示該變量的值異常，如圖顯示的是破碎機實時運行時的截圖，表示油泵電機、破碎電機正在運行，且馬達為正轉(zhuǎn)，皮帶機和犁煤機也正在運行，該破碎機處于聯(lián)動狀態(tài)。該破碎機與變頻器的CAN通訊以及與HMI的CAN通訊正常，但是此時該破碎機有一個故障，即油泵電機漏電故障，模擬量值都在正常范圍之內(nèi)。

5 結論

本文研究的電氣系統(tǒng)以倍福的CX8050控制器為核心，根據(jù)系統(tǒng)要求擴展模擬量、數(shù)字量以及通訊模塊，經(jīng)PLC的ST語言軟件編程實現(xiàn)系統(tǒng)控制，并通過CAN通訊將系統(tǒng)運行的參數(shù)、狀態(tài)以及故障信息傳送至觸摸屏人機界面進行監(jiān)控。經(jīng)過工業(yè)性試驗，該選煤廠的破碎機電氣系統(tǒng)運行穩(wěn)定，滿足設計要求。