基于PLC 控制柜的煤礦采煤系統(tǒng)智能控制技術(shù)探析

侯宇航

（山西省霍州煤電集團龐龐塔煤礦，山西 呂梁 033200）

引言

煤礦采煤系統(tǒng)智能控制有以下幾方面意義：完整的信息平臺的建立，為了監(jiān)測的各個方面的數(shù)據(jù)能夠得以實現(xiàn)，并且需要對設(shè)備各方面的運行情況的信息進行了解；為了對采煤設(shè)備實現(xiàn)故障的診斷和報警，就需要依據(jù)所有的檢查的結(jié)果，并提供技術(shù)保障在設(shè)備運行方面；24 h檢測采煤的所有信息，以方便24 h監(jiān)控采煤設(shè)備；可以集中聯(lián)控采煤裝備在各個工作面，致使工作人員的人數(shù)減少和勞動力度降低。為此，探討煤礦采煤系統(tǒng)智能控制的技術(shù)，了解采煤工作面設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，并對所有的傳感器與PLC控制柜軟、硬件進行設(shè)計選型，以實現(xiàn)采煤設(shè)備控制的智能化。

1 系統(tǒng)的組成部分

數(shù)據(jù)服務(wù)器、客戶端、移動終端、各類傳感器、控制計算機、采煤機裝備集中PLC智能控制柜、本安型就地操作箱等技術(shù)被包含在煤礦采煤系統(tǒng)智能控制技術(shù)。圖1即為采煤工作面設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖。

圖1 采煤工作面設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)總體框架

1）數(shù)據(jù)服務(wù)器。發(fā)布、處理、匯總及儲存收集到的數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)服務(wù)器的主要職責(zé)，其通信的方式是經(jīng)過監(jiān)控室、以太網(wǎng)兩方面的組態(tài)軟件完成的。

2）各類傳感器。其最重要的作用是對設(shè)備的中轉(zhuǎn)載機、采煤機、膠帶機、刮板輸送機及破碎機等的信息進行及時的收集，其他故障信息、壓力、電流、溫濕度及電壓組成了實時信息。

3）客戶端。客戶端可以查看煤礦采煤設(shè)備及時運轉(zhuǎn)的信息和查詢信息，其客戶端的方式是計算機、智能手機、平板電腦等。

4）本安型就地操作箱。其作用是將顯示屏幕提供給工作人員，在屏幕上顯示采煤設(shè)備的信息，設(shè)備的實際運轉(zhuǎn)狀況被工作人員以最快速度了解，況且旋轉(zhuǎn)開關(guān)完成檢修采煤設(shè)備、遠程及就地的轉(zhuǎn)換，就地完成設(shè)備開啟及停止。

5）控制計算機。有1臺使用的計算機，1臺備用計算機，采煤設(shè)備的數(shù)據(jù)可以通過監(jiān)控軟件進行歸檔與處置，工作面的運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)可以被WINCC組態(tài)界面及時查看。

6）采煤機裝備集中PLC智能控制。其在系統(tǒng)中是重點的監(jiān)控設(shè)備，能供給I/O接口、通信接口、模擬量采集接口等，以太網(wǎng)與符合規(guī)定的通信協(xié)議被支持，收集、傳遞與處置采煤設(shè)備的運轉(zhuǎn)狀況得以完成。

2 對PLC控制系統(tǒng)進行設(shè)計

2.1 對PLC控制柜硬件進行設(shè)計

CPU模塊、電源模塊、RS-485通信模塊、I/O擴展模塊及網(wǎng)絡(luò)交換機等構(gòu)成了PLC控制柜。

1）電源模塊選型。電源模塊PS307-5A屬于S7系列，其電源模塊被使用在本文中，并且供電范圍有兩個檔位，分別是AC 85～132 V與AC 176～264 V，其作用是保護短路及斷路，使供電量達到要求，就需要把本安電源模塊設(shè)置2個。表1就是CSTI系列輸出本質(zhì)安全電源在本安電源模塊中的參數(shù)。

表1 CSTI系列日常輸出本質(zhì)安全電源的相關(guān)參數(shù)情況表

2）通信模塊選型。2個通信模塊CM1241 RS-422/RS-485在本文中被選擇使用，并對MODBUS協(xié)議進行支持。

3）I/O擴展模塊。2個16點的數(shù)字量輸入模塊、2個8路通用型模擬量輸入模塊及2個8路專用測溫模擬量輸入模塊被建立。

4）CPU模塊選型。S7-1200 PLC被礦用隔爆兼本安型控制箱的控制器在本文中所使用，其數(shù)字量輸入、輸出分別為14個、10個，模擬量輸入為2路這兩方面構(gòu)成了控制器，其最大額定功率及供電分別為12 W及24 V DC，以太網(wǎng)內(nèi)嵌1個接口，可以被HMI、程序下載與PROFINET網(wǎng)絡(luò)連接等所使用，RS-485/RS-422通信模塊被擴大的數(shù)量為3個，并且由和50 kB的工作存儲器、8 192 B的位存儲器、2 MB的裝載存儲器與2 kB的保持性存儲器構(gòu)成。表2為PLC模塊選型匯總。

表2 PLC模塊選型匯總情況表

2.2 設(shè)計使用PLC控制柜軟件

TIA Portal軟件被PLC控制柜軟件使用及編輯。梯形圖編程語言、模塊化編程及結(jié)構(gòu)化編程被使用，由啟動組織塊、全局?jǐn)?shù)據(jù)塊、操作箱按鈕、傳感器數(shù)據(jù)處理、Modbus寫數(shù)據(jù)通信、Modbus讀數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)處理等邏輯塊構(gòu)成了系統(tǒng)程序的邏輯塊。圖2即為PLC控制柜整體程序流程圖。

圖2 PLC控制柜整體流程圖

Modbus寫數(shù)據(jù)通信、Modbus讀數(shù)據(jù)通信在本文中說明。

1）Modbus讀數(shù)據(jù)通信。可以用作讀寫設(shè)備上的運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，其設(shè)備包括主控器、采煤機遠程監(jiān)控器、膠帶可編輯控制箱、膠帶可編輯控制箱、組合開關(guān)及變頻器等，故障標(biāo)志燈、設(shè)備的啟停標(biāo)志、保護信息、電壓、故障代碼、子設(shè)備運行電壓及電流組成了運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)。

2）Modbus寫數(shù)據(jù)通信。Modbus寫數(shù)據(jù)通信最重要的功能是使監(jiān)控器或采煤機遠程主控制器和膠帶可編輯控制箱可以接收控制命令傳遞的信息，開啟與停止控制采煤設(shè)備得以完成。

3 選擇傳感器型號及類型

3.1 各種傳感器在采煤機中的應(yīng)用情況

溫度繼電器、流量傳感器、電流互感器、壓力傳感器、瓦斯監(jiān)測傳感器等傳感器被采煤機使用。

1）溫度繼電器。主要負責(zé)監(jiān)督檢測油的溫度，包括截割電機、油泵電機、牽引變壓器，溫度繼電器JW2-155被其使用。

2）流量傳感器。負責(zé)監(jiān)督檢測液體在牽引液壓系統(tǒng)與冷卻水系統(tǒng)中的流量，流量傳感器型號YF S201被本文使用。其耐壓、測量范圍、工作溫度、工作電壓的技術(shù)數(shù)據(jù)分別是不大于1.7 MPa、1～30 L/min、不大于120℃、5～24 V。

3）壓力傳感器。主要是對牽引部及輔助液壓系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)等壓力的變動進行監(jiān)督檢測，壓力傳感器型號為MIK-P300被應(yīng)用用。其量程、零點漂移、輸出模擬量、工作電流、工作電壓的技術(shù)數(shù)據(jù)分別為0～40 MPa、±2%FS，4～20 mA、不大于100 mA、4～36 V。

4）電流互感器。主要監(jiān)督檢測電流，其包括采煤機截割機。電流互感器型號為PAS-JIC600D-P1/SP6的被使用。其在作業(yè)時的額定電流、精度的測量的技術(shù)數(shù)據(jù)分別為小于100 mA、±1%，0～600 A（電流測量范圍）和4～20 mA（模擬量）。

5）瓦斯監(jiān)測傳感器。主要是對瓦斯的密度進行監(jiān)督檢測，屬于采煤機工作面。瓦斯監(jiān)測傳感器型號為GJC4被傳感器使用，在濃度不小于1%時，會切斷常閉節(jié)點。

3.2 傳感器在采煤運輸設(shè)備中的應(yīng)用情況

轉(zhuǎn)運膠帶輸送機、破碎機、刮板輸送機與轉(zhuǎn)載機組成了采煤運輸設(shè)備。

1）傳感器在破碎機中的應(yīng)用。作為成套設(shè)備的破碎機，安裝其目的是監(jiān)督檢測溫度，主要的是對主電機的PT100溫度傳感器與JW2-155溫度繼電器進行檢測。

2）傳感器在轉(zhuǎn)載機中的應(yīng)用。最主要的是監(jiān)督檢測速度與溫度，其速度檢測的是轉(zhuǎn)載機的，其溫度檢測的是電機的，速度傳感其被使用的型號是SCD-1型，溫度傳感器型號PT100及型號JW2-155被使用在對電機溫度進行監(jiān)督檢測。

3）傳感器在刮板輸送機中的應(yīng)用。主要是短路保護的JW2-155溫度繼電器，監(jiān)督檢測PT100溫度傳感器在電機定子繞組及軸承的溫度，監(jiān)督檢測SCD-1型速度傳感器在刮板輸送機中的運轉(zhuǎn)速度，監(jiān)督檢測有沒有完整SCD-10型斷鏈保護器存在于刮板鏈條中。

4）傳感器在轉(zhuǎn)運膠帶輸送機中的應(yīng)用。由GEJ-15-P型跑偏傳感器、GSC6型速度傳感器、急停開關(guān)等其他輔助保護傳感器、GQLO.1-Y型煙霧傳感器、GWW-45-W型溫度傳感器、GUD-3-D型堆煤傳感器等組成。

4 結(jié)語

通過了解采煤工作面設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與構(gòu)成，分析了PLC控制柜的硬、軟件的設(shè)計，并對采煤機與運輸設(shè)備使用型號進行了選擇，提高了煤礦采煤系統(tǒng)自動化，智能化控制水平，保障了開采工作的高效進行。