PLC技術在煤礦設備自動控制系統中的應用研究

孫 灝

（中煤科工集團常州研究院有限公司，江蘇 常州213000）

1 PLC的主要構成

PLC即可編程序控制器，其具有適用性強、應用方便、抗干擾能力強、編程簡單、可靠性強等優勢，目前在工業自動化控制領域中的地位不可取代。按照不同的結構可以將PLC分為兩種，一種是固定式PLC，其主要構成包括CPU、I/O模塊、顯示面板、內存、電源等部分，這些模塊構成一個整體，不可拆卸；另一種是組合式PLC，其除了具備與固定式PLC相同的組成模塊外，還包括底板或機架，組合式PLC的每個模塊按照一定規則組合配置在一起。實際應用中根據不同的需求選擇不同結構的PLC。

在整個PLC中，CPU是核心部分，其包括運算器、控制器、寄存器、外圍芯片、總線接口、相關電路以及數據、控制及狀態總線，其主要作用是接收并存儲用戶設計好的程序及數據，對內部電路及電源的工作狀態做出及時診斷，且編程過程中一旦出現語法錯誤也可以及時分析出來。CPU讀取存儲器中的指令，做出解析后產生對應的控制信號，實現對相關電路的控制，其中運算器的主要作用是在控制器的指揮下進行數據計算或邏輯運算，寄存器除了存儲運算的中間結果也會參與運算。在PLC系統中CPU的內存容量、速度決定了PLC的工作效率。I/O模塊是PLC與電氣回路的接口，其包括開關量輸入、開關量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出等。I/O模塊中的輸入暫存器反映輸入信號的狀態，輸出點則反映輸出鎖存器的狀態，電信號被輸入模塊轉換為數字信號傳輸至PLC系統。I/O模塊的數量及規格可根據CPU的基本配置能力靈活設置，不超出最大底板或機架槽數限制即可。電源模塊的主要作用是為PLC各模塊集成電路提供工作電源，并為輸入電路提供24V工作電源。底板或機架的主要作用是使各模塊連接在一起構成一個整體，實現各模塊的聯系，保證CPU可以訪問底板上所有模塊。PLC通信主要采用多點接口數據通信或工業以太網等實現聯網，真正意義上實現分散集中控制。

2 PLC在煤礦設備自動控制系統中的具體應用

煤礦設備自動控制系統包括地面控制中心及井下無線傳感器網絡兩大部分，利用Zig Bee等無線通信技術實現PLC與地面控制中心的連接，整個自動控制系統功能包括井下環境監測、礦工考勤、礦工定位、通風系統控制等。其中井下環境監測的主要作用是通過終端設備中的傳感器監測井下瓦斯濃度、一氧化碳濃度、溫度、濕度等環境參數；考勤系統的主要功能是實現礦工的考勤登記，礦工定位即確定礦工在礦井中的大概位置；通風系統的主要作用則是為礦井內部提供充足的新鮮空氣，以保證井下作業的安全性、適宜性。下文主要介紹PLC技術在煤礦通風控制系統中的應用。

2.1 系統的主要構成

礦井通風系統的主要作用是向井下輸送新鮮空氣，排出有毒的污濁空氣，為井下提供一個安全的生產環境。本研究提出的基于PLC的煤礦井下控制系統主要構成包括主控制器PLC、兩組互相獨立的執行機構、報警裝置及相關的保護裝置等。無線傳感器網絡采集礦井內部的瓦斯濃度、溫度、濕度等環境參數，并將采集到的數據傳送至PLC中，PLC程序會事先設定好井下安全生產的環境參數閾值，當現場數據高于系統設定的閾值就會輸出對應的控制信號，報警電路及執行機構就會做出相應的反應，以保證井下生產的環境安全。整個通風控制系統需要實現數據采集、數據處理、風機的啟動與停車、工作狀態的轉換、通風系統故障報警及信息反饋等諸多功能。具體應用過程中系統會先進行初始化處理，將所有輔助寄存器中存儲的數據歸零，系統運行過程中一旦井下環境中瓦斯濃度、一氧化碳濃度等超過系統設計的閾值，或者風機系統中電動機定子及風機軸承等部件溫度超過系統閾值，系統均會自動發出報警。操作過程中包括手動操作與自動操作兩種模式，手動模式下系統可以根據實際需求設定控制參數，因此主要在設備安裝及調試階段采用手動模式，對電動機、風機進行逐一單臺控制；系統處于運行狀態下風機系統中電動機定子溫度或風機軸承溫度過高時，系統也會自動切換至手動模式。系統正常運行狀態下通常都采用自動控制模式，系統根據無線傳感器網絡傳輸過來的數據決定采用單機運行或者雙機運行，上位程序讀取到PLC寄存器中的數據，由上位界面直接控制PLC系統的啟停。一旦井下環境參數大于系統設定閾值，系統會自動啟動另外一臺風機加大風量供應，并給出對應的提示，待井下環境參數恢復正常后，系統再自動切換為單機運行狀態。

2.2 PLC通風控制系統硬件設計

根據礦井通風量、所需總推力選擇電動機及風格的型號、規格，本研究所提出的基于PLC的通風控制系統應用于小煤礦的生產，煤礦年產量不超過90萬噸，因此在選擇電動機、風機時首先考慮其經濟性與安全性。本研究所用的風機轉速為每分鐘980r，風量為每秒15.7-47.7m3，風壓在355-1301Pa；電動機的額定功率為90kW，額定電壓為380V，額定電流為166A。風機采用電動機與葉輪直聯的結構，簡單便于運行與維護，電機外設置有全封閉型密閉散熱罩及氣壓平衡管，可以保證電機運行的安全性與可靠性。本設計采用兩組互相獨立的風機系統，以保證礦井生產的安全性。每套風機系統均帶有電機定子傳感器、風機軸溫傳感器，用以檢測風機運行過程中的溫度參數，能夠實時檢測出電機是否存在故障問題，每套風機系統均可單獨操作。由于本研究是針對小型煤礦設計的自動控制系統，因此采用兩個同時掘進的作業面為基礎；相距掘進面3-5m處為瓦斯、一氧化碳冒出區的混合區，距掘進面10-20m為瓦斯及一氧化碳等有毒氣體的聚集區，因此該區域要設置兩個移動無線通信終端設備實時采集環境參數。根據PLC外部I/O數量決定PLC的類型，PLC內部中間包含了上百個元件，本研究選擇的是FX2N-48MR系統PLC，其功能強、速度快，擴展I/O可達256個，能夠實現多種特殊功能的擴展，可以很好地滿足本研究的設計需求。

2.3 PLC控制系統的主電路設計

上文中提到本研究采用相互獨立的兩組風機操作系統，一組用于正常工作，另外一組用于檢修備用，每組風機系統包括兩套風機系統，因此PLC控制接觸器需要控制四套風機系統的操作。風機系統中三相異步電動機額定功率為90kW，在啟動階段需要選擇合理的電動機降壓啟動方式，才能保證電動機的安全性。一般情況下，三相異步電動機降壓啟動控制電路主要為4種，即串電阻降壓啟動控制、串自耦變壓器降壓啟動控制、Y-Δ降壓啟動控制及延邊Δ降壓啟動控制，在輕載條件下YΔ降壓啟動控制電路比較適用，因此本研究采用該控制電路。電動機啟動時電動機定子繞組接成Y接法降壓啟動，運行過程中電動機定子繞組接成Δ接法全壓行，由于采用的是封閉式負載風機，因此可以直接采用機械能耗衰減制動。

根據數量不同PLC輸入電路分為直流輸入與交流輸入兩類，本研究電動機采用的是直流輸入電路中漏型輸入電路；PLC輸出電路包括繼電器輸出、晶體管輸出、晶閘管輸出等，本研究出于經濟性考慮采用繼電器輸出電路。該PLC具有24個輸入端口、23個輸出端口，所有輸入端口共用一個COM端，輸出端口每4個共用一個COM端，共6個COM端。每個端口均有對應的映射關系及端口作用說明。程序運行過程中不能同時執行手動控制程序與自動控制程序，因此需要設置一個選擇手動程序及自動程序的開關以切換手動模式與自動模式。PLC負載的驅動采用220V、50Hz交流電電源，通過其內部配置的專用開關式穩壓電源將220V交流電轉換為PLC需要的工作電源，并為輸入端口外部輸入元件提供24V直流電電源。

2.4 PLC通風控制系統軟件設計

本研究采用GX Developer編程軟件進行軟件系統的設計，其標準化程序設計如下：標號編程，根據標示制作成標準程序，能夠依據匯編作為實際程序來使用。功能塊的主要作用是提高順序程序的開發效率，順序程序回路塊在開發順序程序時需要反復使用，通過功能塊可以將其零件化處理，不僅提高了順序程序開發的簡便性，而且能夠避免將其運用于別的順序程序時順序輸入錯誤。在任務回路模式上加上宏定義名登錄文件，輸入簡單的命令即可讀出登錄過的回路模式，能夠更加靈活地應用變更軟元件。本研究采用的無線傳感器網絡為Zig Bee技術，Zig Bee協調器通過接口向PLC及PC機中傳送采集到的參數，Zig Bee協調器外圍設備中設置兩個RS-232口向PLC及PC機中傳送數據。系統采用3.3V供電，需要使用SP3223電平轉換器進行轉換。Zig Bee主芯片提供USART0、USART1兩個功能相同的串行通信接口，URAT模式中接口使用2線，也可采用包含有RXD、TXD、RTS、CTS的4線。Zig Bee協調器與PLC之間采用RS-232通信標準，通過SP3223E芯片完成Zig Bee協調器無線傳輸模塊擴展板的RS-232串口設計，需要注意一點，FX2N串口的通信標準為RS-422，因此需要通過轉換器將RS-422轉換為RS-232。Zig Bee協調器在與PLC通信過程中為主從關系，初始命令由Zig Bee協調器發出根據指令做出響應，上位機與PLC進行通信應答測試，整個過程PLC無論是讀數據還是寫數據都是由Zig Bee協調器發出響應，PLC始終處于被動響應的地位。PLC與PC端的通信采用的同樣是RS-422轉換為RS-232的編程電纜形式，不過由于PLC與Zig Bee協調器采用的是編程電纜，需要通過FX2N-485-BD模塊擴展通信接口。采用JaRa2102轉換器將RS-485標準信號轉換為PC機串行通信的RS-232標準信號，并在實際過程中采用光線隔離技術。

3 結束語

總之，作為我國的一項支柱產業，煤炭行業經過數十年的發展，其生產過程中涉及到的各種設備也越來越先進，煤礦生產中所采用的自動化設備也越來越多，大大提高了煤礦生產的效率。但是與其他行業相比，煤礦行業具有顯著的特殊性，生產人員要深入地下進行生產操作及設備的維護，使得生產人員的安全性受到很大威脅。因此在煤礦設備自動控制中引進PLC技術，實現了可靠、先進的自動化控制，該系統能夠對井下生產環境進行實時監控，并通過設備的自動控制提高生產效率，提高了煤礦生產的安全性及有效性。相信隨著科學技術的不斷進步，PLC的性能會得到不斷地優化，在煤礦生產中的應用將會越來越廣泛。