PLC技术在矿用掘进机电控系统中的应用.pdf

2018 年第 12 期2018 年 12 月 0引言 井下掘进机作为井下巷道掘进所不可缺失的关键 设备之一，是确保巷道生产持续、高效开展的必要保 证。而掘进机电控系统作为整个设备最为关键的机械 构成部分，是保障设备运行安全的最后一道防线。因 此，针对矿井掘进机电控系统的应用开展研究，探索 PLC （ 可编程逻辑控制器 ） 技术在其中的普及使用，对 于矿井的现代化建设意义重大。 1基于 PLC 的掘进机电控系统概述 1.1系统构成 以 PLC 技术为基础的井下掘进机电控系统构成组 件囊括六大部分，分别是系统电源、控制及保护输入 组件、控制输出组件、传感监测装置和显示组件。图 1 所示即为电控系统结构示意图。 1.2作业原理分析 图 2 所示为基于 PLC 的掘进机电控系统作业原理 图。当 PLC 通电后，若系统不存在任何故障，系统主 回路会正常闭合，并自行对系统中所有输入点运行状 态进行检测，无问题后会对控制信号进行正常接收； 若系统中存在故障，系统会第一时间收到由保护系统 所输出的故障信号 （ 此类信号电平多为 24 V ） ，接收 到故障信号后 PLC 内置程序会开展综合分析，对比数 据库数据对故障类别进行确定，进而根据相应的调控 方案对外输出控制信号，并对电机发出相应的运行指 令。此外，系统还会将相关信息传递至人机交换终端， 向作业人员展示当前系统运行的真实状态[1-3]。 HIMI.人机界面型号。 图 2基于 PLC 的掘进机电控系统作业原理图 收稿日期2018-11-07 作者简介张建国，1976年生，男，山西临汾人，2018年毕业于重 庆大学采矿工程专业，工程师。 PLC 技术在矿用掘进机电控系统中的应用 张建国 （ 山西煤炭运销集团蒲县昊锦塬煤业有限公司，山西 蒲县 041200 ） 摘要 PLC 技术作为一种高效的自动化控制手段，将其应用在矿用掘进机电控系统中能大幅提升掘进机运行稳定性， 降低故障发生概率，从而为矿井生产的持续运行提供坚实保障。叙述了基于 PLC 的掘进机电控系统构成及其作业原理， 并在此基础上对掘进机的电控系统设计、主控系统设计和系统软件设计进行了逐一分析，希望能为其他矿井掘进机电控 系统的改造优化提供帮助与指导。 关键词 矿井；掘进机；PLC 技术；电控系统；设计分析 中图分类号 TD631文献标识码 A文章编号 2095-0802-201812-0182-02 Application of PLC Technology in Electrical Control System of Mining Heading Machine ZHANG Jianguo Puxian Haojinyuan Coal Industry Co., Ltd., Shanxi Coal Transportation and Sale Group, Puxian 041200, Shanxi, China Abstract As an efficient automatic control , PLC technology can be applied to the electrical control system of mining he- ading machine to greatly improve the running stability of the heading machine and reduce the probability of failure, thus providing a solid guarantee for the continuous operation of mine production. This paper described the composition and operation principle of PLC-based electrical control system of mining heading machine and analyzed the electrical control system design, main control system design and system software design of the heading machine one by one, hoping to provide assistance and guidance for the transation and optimization of the electrical control system of heading machines of other mines. Key words mine; heading machine; PLC technology; electrical control system; design analysis （总第 159 期） 实践运用 图 1基于 PLC 的掘进机电控系统结构示意图 电控系统内部供电 控制输入 保护输入 传感器输入 瓦斯监测输入 接触器 继电器 显示器 PLC 电磁阀 灯 保 护 测 量 M 电动机 电源 输入 电源 变换 第 二 输 送 机 电 流 故障及 报警信号 HIMI人机界面 控制开关量输出 输入开关量状态 执行元件电控系统 电 源 电 压 油 泵 电 流 切 割 电 流 182 2018 年 12 月2018 年第 12 期 （下转 186 页） 2电控系统设计分析 2.1电控系统控制流程 运用 PLC 技术的矿井掘进机电控系统作业流程如 下首先进行启动准备、启动预警和漏电检测，完成 启动前准备作业后依次开启油泵电机、转载电机和截 割电机。而当需要停止作业时，电机停止顺序同启动 顺序相反。掘进机启动顺序示意图见图 3。 图 3掘进机启动顺序示意图 2.2主回路控制分析 系统主回路构成组件包括四部分隔离开关、阻 容吸收装置、真空接触装置、电流互感装置。作业时， 掘进机电机启动则主要依靠调控 1 140 V 电压的通断达成 对电机的操控。主控系统需闭合主回路时，真空接触器率 先闭合后，依次通电运行油泵、截割电机等。当系统进行 主回路闭合时，真空接触装置首先接通闭合，随后油泵、 截割机、二运电机等装置依次接电转运。整个过程中，阻 容吸收装置主要用于对主回路过电压进行过滤。在这之 后，电压信号通过电流互感装置传输至 PLC 控制器。 2.3控制回路 整个控制回路的构成包括三部分，分别是主控装 置、真空接触器和中间继电装置。作业时，PLC 是最为 核心的要素组件，选用 RS232 型通讯方式，用于对各 个控制回路信号进行接收。同时 PLC 控制器会对接收 的数据进行汇总运算，进而生成各类控制指令，通过 中间继电装置对外输出，进而达成对设备各电机启停 的操控。与此同时，PLC 装置在作业中还能对漏电、电 流、温度等监测装置输出的信号进行接收，并对其进 行分析处理，从而获得相应的设备运行参数，为设备 的安全、高效运行提供必要指导。 2.4保护与显示回路 掘进机电控系统中的保护回路包括四大类，分别 是漏电保护回路、温度过载保护回路、瓦斯封闭保护 回路和闭锁电路。电控系统显示回路的构成包括两部 分，分别是操作界面电路和实时显示电路。 3主控制器设计分析 主控制器作为 PLC 矿井掘进机电控系统的核心组 件，其主要构成包括 PLC 控制电路、电源电路和显示 电路三部分。 3.1PLC 控制电路 整个电控系统中，主控器电路的贯通是借助传感 装置和机械按钮予以操控的。其中 PLC 控制电路作业 时的输入信号囊括反馈信号和开关量信号两部分。两 种信号中，开关量信号的发生装置主要有急停按钮、 瓦斯传感装置和温度传感装置等，这些设备均属于本 安型设备；反馈信号则囊括运行状态、模拟量输入和 电源连锁三种信号，其所对的作业电压分别是 1 140 V、 220 V 和 24 V。图 4 所示即为 PLC 控制电路输入和输 出原理示意图。 GND.地线。 图 4PLC 控制电路输入和输出原理示意图 3.2电源电路分析 在整个电控系统中，不同设备运行所需的电压是 有所差异的，因此电源电路其大体可划分为六类a 主回路三相交流高压电路，电压为 1 140 V；b 真空 接触装置的交流低压电路，电压为 220 V；c 报警装 置的交流低压控制电路，电压为 110 V；d 照明装置 的交流低压控制电路，电压为 24 V；e PLC 元件直流 低压工作电路，电压为 24 V；f 设备低压直流工作电 路，电压为 12 V。掘进机电控系统运行时所需的不同 交流电压全部可借由变压装置予以调节达成，而直流 电压则需通过整流电路获得。 3.3通讯与显示电路 运用 PLC 技术的井下掘进机电控系统的通讯和显 示电路囊括两个构成部分固定基站、远程遥控基站。 作业时，PLC 控制组件端口借由通讯电路与固定基站开 展信息交互，同时固定基站与远程遥控基站之间则借 由无线传输的方式实现信息交互。其中，固定基站无 线通讯装置所用的数据传输模块型号为SWER-1200ND， 其结构原理如图 5 所示。而当需要进行远程遥控时，需 通过固定操作基站上的遥控装置予以实现。 4软件设计分析 选用 STVEP7.2 编程软件设计对掘进机电控系统操 作软件进行设计，所设计操作软件可以对设备运行状 态开展实时全长监控，进而为作业人员的安全管控提 供有效指导和借鉴。图 6 所示即为电机启动程序运行 主要流程示意图。 准备启动 启动预警 漏电检测 油泵电机启动 截割电机启动 截割电机预警 转载电机启动 总急停 裁割急停 瓦斯闭锁 风电闭锁 电源连锁开关 故障屏蔽 参数修改 油泵反馈 裁割反馈 通风机反馈 二运反馈 油泵过温 裁割过温 警铃 220 V供电 24 V供电 门锁电源 油泵绝缘输出 裁割绝缘输出 二运绝缘输出 通风机绝缘输出 输 入 输 出 PLC 通信RS232 通信RS485 油泵中继 裁割中继 二运中继 瓦斯闭锁 漏电闭锁 24 V 24 V- GND 张建国 PLC 技术在矿用掘进机电控系统中的应用 183 2018 年第 12 期2018 年 12 月 （上接 183 页） 图 7变形分布图 3.4设定边界条件并对顶梁施以压力 按照国家标准 GB25974.12010 煤矿用液压支架 的第一部分通用技术条件，用额定工作阻力乘以 1.1 的 系数作为顶梁两侧压力强度。如图 5 所示，通过垫片 A、B、C、D、E 对顶梁的两侧施加压力。 图 5对顶梁两侧施加荷载 3.5分析计算并处理结果 对顶梁的 ANSYS 有限元模型进行分析得出结果之 后，需对该结果进行优化处理，应力分布图见图 6，变 形分布图见图 7。 按照图 6、图 7 所示，可知支架的柱窝处及其相邻 位置变形最大，形变值为 4.2 mm；在前探梁的底部和 柱窝的相邻位置所受作用力最大，顶梁和垫片交点处 的应力相对集中，其值达 231 MPa，此时钢的流动极限 为 344 MPa，可认为顶梁受力的值在安全范围之内，即 可保障工作人员和机械设备的安全。 4结语 以巷道中用于超前支护的液压支架为研究对象， 分析计算了支架顶梁的受力情况。列举了构建 ANSYS 有限元模型时的难点，明确了划分单元模块的方法， 这对于顶梁和底座受力的仿真分析具有指导意义，此 外还检验了液压支架中顶梁及底座的支护能力，可据 此判定支架方案设计的合理性并进行修改完善。 参考文献 ［1］ 曾石清， 刘相寿， 黄志彬.掘进工作面临时支护问题探讨 ［J］ . 能源技术与管理， 20043 29-30. ［2］ 曹红波， 宋宝令.临时支护的分类与性能分析 ［J］ .江苏煤炭， 19963 48-49. ［3］ 简博.掘进机机载液压临时支护的研制与应用 ［J］ .煤炭技术， 20077 9-10. （ 责任编辑高志凤 ） 500.001 500.00 0.001 000.002 000.00 mm Y Z X 图 6应力分布图 500.001 500.00 0.001 000.002 000.00 mm Y Z X 5结语 基于 PLC 的矿井掘进机电控系统作为确保掘进机 高效、持续作业的关键保障，对矿井生产的作用意义 重大。特别是在矿井复杂、多变作业环境的影响下，掘 进机运行故障频发，通过应用智能化的电控系统，可 大幅提升设备运行稳定性，实现对故障的有效自动诊 断，降低故障发生概率和运行维护成本，从而为矿井 生产作业效率及综合效益的提升提供帮助。 参考文献 ［1］ 阳廷军.远程控制掘进机电控系统及保护功能设计 ［J］ .煤矿 机械， 2017， 3811 7-9. ［2］ 马晋华.基于 PLC 的矿用掘进机的电控系统设计 ［J］ .煤炭与 化工， 2018， 415 63-65. ［3］ 翟少峰.煤矿掘进机电气系统保护及故障诊断 ［J］ .山东煤炭 科技， 201612 138-139. （ 责任编辑高志凤 ） ROM.随机存储装置。 图 5固定操作基站结构原理示意图 按键 外扩ROM单片机 无线收发模块 显示器 通信电路 切割高速电机启动 切割低速电机启动 切割预警电磁阀启动 运行准备 第二输送机启动启动预警 油泵启动 图 6电机启动程序运行主要流程示意图 186