PLC技術在煤礦機電控制系統中的應用探析

葉智鋒

摘 要：煤礦機電系統作為煤礦生產的重要組成部分，對保證煤礦生產安全、提升煤礦生產效率有著較為重要的作用。而通過將PLC技術應用到煤礦機電控制系統中，對于提升整個控制系統的自動化與智能化水平有著非常重要的意義。本文從PLC控制系統工作原理分析入手，重點剖析了PLC技術在煤礦機電控制系統中的具體應用，并對PLC技術在煤礦機電控制系統中的應用進行了測試。

關鍵詞：PLC技術;煤礦機電控制系統;應用;探析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.070

0 引言

PLC技術的本質為一個可被執行的編程存儲器，在復雜邏輯執行與運算中能夠取得較好應用效果，通過數字信息、執行方式及輸入輸出等，實現設備的自動化控制。大量實踐表明，在煤礦機電控制系統中，通過PLC技術替代原有繼電控制技術，能夠使整個系統更為準確、快捷、高效。

1 PLC控制系統工作原理

在煤礦機電控制系統中應用PLC技術時，主要利用的是自動控制的方式實現對系統任務的自動處理，整個過程主要包含有3個環節，具體為：輸出刷新環節、程序執行環節及采樣輸入環節。

1.1 采樣輸入環節

具體原理為：通過CPU掃描儀對工作面進行全面掃描，同時，將掃描得到的數據進行及時記錄并將其存儲到I/O存儲映象區內，之后采集得到的數據會被隨機傳送到各個獨立的處理運行部位，在該環節中得到的各類數據是相互獨立的，后續階段操作不會影響到該階段數據的獨立性。

1.2 程序執行環節

在執行的過程中，PLC技術按照梯形圖流程完成對應的掃描，在進行掃描過程中，具體的計算方式是根據既定的邏輯進行，并最后將計算得到的信息收錄到計算機中。確保該環節準確無誤的關鍵是保證各類數據的一致性，防止進入到系統中的數據有錯誤指令。

1.3 輸出刷新環節

該環節主要是對輸出的數據進行執行，在煤礦機電控制系統中，通常情況下是通過上述信息實現對整個電路系統的有效調整，最終完成對機電設備的調控。

PLC控制系統的具體工作原理見圖1所示。

2 PLC技術在煤礦機電控制系統中的具體應用

2.1 總體方案設計

在煤礦機電控制系統中應用PLC技術時，最為核心的部位是電控系統，而在電控系統中變頻調速系統和核心處理器是系統的核心環節。本文在分析時選擇使用PLC核心處理器為：S7-300。整個機電控制系統主要包含有：操作臺觸摸屏、低壓配電柜、制動電阻柜、變頻電阻柜及PLC控制箱。整體結構見圖2所示。

其中各個組件的具體功能為：

（1）PLC控制箱功能：設計電控系統核心包含兩套PLC，功能分別為：對電控系統運行進行監控;自動或者手動完成機電控制系統的提升、接受指示信號、安全閘、速度給定工作閘及閉鎖等功能。

（2）變頻電阻柜功能：主要是對整個控制系統進行速度控制，同時具有能量反饋功能。

（3）制動電阻柜功能：主要是整個控制系統的運動部件的制動，例如，對煤礦提升機進行減速或者制動。

（4）低壓配電柜功能：主要是對控制系統中各個部件進行供電。

（5）操作臺觸摸屏功能：主要功能是顯示相關信號燈、通信、指示燈及操作按鈕等。

2.2 硬件設計

PLC技術在煤礦機電控制系統中的硬件主要包含有：配電系統硬件、變頻調速裝置、PLC控制系統等，具體設計如下：

（1）硬件電路設計。本次設計選擇使用西門子S7-300硬件模塊作為電源模塊、編程設備、通信模塊、接口模塊、CPU模塊的主要組成部分，具體的電路結構框架圖見圖3所示。在CPU模塊中主要包含的是存儲器、微處理器，主要作用是采集機電控制系統的狀態信息，同時，執行電控系統的程序指令，對故障點也能夠進行智能監測，電控系統中的數據和程序也存儲到其中。接口模塊主要功能是完成數據交互;在通信模塊中，主要功能是完成I/O接口、上位機、PLC等設備之間信息的傳遞;本次在進行編程時，選擇的編程設備為：STEP7，在該設備中可實現對不同文本程序的高效編輯;電源模塊的主要功能是進行設備進行供電，將外界輸入的220V交流電壓，轉變為PLC控制系統所需的5V和24V電壓。

（2）雙PLC控制系統設計。本次設計選擇采用雙PLC控制系統，這對于提升系統的安全性與可靠性有著非常重要的作用。具體設計模塊有：1）對I/O接口進行分配設計，I/O接口信息包含有模擬信號、開關信號兩個部分，開關信號就是數字信號，具體信號數量為：132、24，備用的數量是16、31;2）安全回路設計，本次安全回路設計包含有2套安全回路，分布為：以PLC軟件程序為基礎的安全回路;以繼電器開關為基礎的串聯硬件安全回路;3）電氣聯鎖，這主要以煤礦安全需求出發，設計的一系列機電聯鎖。

（3）變頻調速裝置設計。煤礦機電控制性能優劣受到變頻調速裝置設計的影響較大。在本次設計時，選擇使用以交直交為基礎的變頻調速方案，具體型號為西門子SM150系列電壓源型交流交變變頻器，其主要優勢是，系統結構更為簡單，工作效率相對更高，同時，承受的電壓更大，實際容量也更大。此外，本次為了提升動態響應效果與調節精度，在對拓撲結構進行設計時，選擇使用二極管鉗位三電平。

2.3 控制軟件系統設計

本次設計的軟件控制系統全部在WINCC與STEP7上完成，在總程序中包含有較多的子程序，所有子程序選擇單獨編寫的方式進行，具體流程見圖4所示。

（1）輔助啟動設計。在煤礦機電控制系統中，動力裝置、油泵及電機等是聯鎖關系，在系統工作之前，這些輔助系統首先得進行啟動，主要作用是對機電控制系統中的動力制動裝置進行控制。

（2）系統啟動設計。在準備程序完成之后，會對系統是否啟動進行判定，若符合了啟動條件，則聯鎖手柄、控制手柄等會調整到啟動位置，然后系統會立即啟動。

（3）安全回路設計。在進行安全回路設計時，主要是對已經設計到系統中的軟件、硬件的安全進行保護控制，若出現了提升機故障的情況，則會啟動硬件保護，發生倒閘停車。若軟件出現了故障，則會出現閉鎖報警。同時，在系統中設計故障種類存儲記憶功能，若故障排除，則安全制動會被解除，恢復正常使用。

3 結束語

上述系統設計完成之后，為了對PLC技術具體的應用效果進行檢驗，以上述硬件與軟件為基礎，對整個系統的運行情況進行了測試，從測試結果中看出，整個機電控制系統運行較為平穩，在系統啟動與使用的過程中總體的沖擊電流較小，且可以較為平穩的達到運行的狀態，較好克服了在傳統機電控制模式中，受到井下瓦斯、煤塵等因素的負面影響，總體的抗干擾能力與安全性相對于傳統方式均實現了較大的提升，此外，系統包含有較多子系統，方便系統進行進一步升級，若增加相關功能，僅需在這些系統的基礎上進行子單元擴充即可。

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作者簡介：葉智鋒（1976-），男，福建永春人，本科，助理工程師，研究方向：煤礦機電技術與應用。