基于PLC的掘进机电控系统设计.pdf

2 0 1 9年第0 7期 基于P L C的掘进机电控系统设计 岳涛涛 阳泉煤业集团长沟煤矿有限责任公司, 山西 阳泉0 4 5 0 0 0 摘 要 传统的掘进机控制系统电气部分可靠性较差, 并且工作过程往往会效率低下。针对这个原因, 提出了利用 以P L C为控制单元进行掘进机电气控制部分设计, 分别对P L C基本原理以及掘进机控制系统主要系统结 构进行了介绍, 结合P L C的硬件选型进行了系统电路的设计, 并根据系统需求进行了程序编写, 通过实际 应用, 表明该系统能够实现对掘进机的稳定控制, 并且系统可靠性较高、 可扩展性强, 能够实现故障自诊断 功能, 对掘进机工程应用具有一定的实用价值。 关键词 矿井; 掘进机; 电控系统;P L C 中图分类号 T D 6 3 2 D O I 1 0.1 9 7 6 9/ j . z d h y .2 0 1 9.0 7.0 6 0 0引言 目前, 国际上的掘进机产品处于领先地位的分别是 德国、 日本以及美国的几家跨国公司, 我国的总体技术与 国际先进水平还具有一定的差距, 国产化产品还不能满 足目前我国地下工程建设的需要。煤矿井下掘进机的控 制系统是一套集电气、 液压、 机械于一体的综合性控制技 术, 对掘进机控制的稳定性直接关系到煤矿开采的效率 及安全。其中, 掘进机电气控制部分是整个掘进机控制 系统的关键组成部分, 是确保系统稳定运行的核心。随 着高新技术的不断发展, 掘进机电气控制系统也在不断 进步, 传统的电气控制手段往往会出现控制不灵活、 故障 点较多的情况, 为了能够满足现代煤矿生产的需求, 设计 一款 高 可 靠 性 的 掘 进 机 控 制 系 统 具 有 很 大 的 现 实 意义[ 1]。 1系统整体结构及原理 1.1系统结构设计 图1为本文设计的基于P L C的掘进机电气控制系统 结构, 该系统主要包括控制单元P L C、 输入部分、 供电电 源、 传感器检测模块、 电机控制模块 接触器、 保护装置 、 异步电机以及显示部分[ 2]。 1.2工作原理 从图1我们可以看出, 当系统上电以后, 外围模拟量 检测相应的数据, 比如掘金电机输入电压、 周围瓦斯浓度 等信号, P L C根据检测的数据进行判断, 当确定无故障点 时按照输入信号进行电机的控制,P L C相应输出接触器 吸合命令, 控制电机启动, 在运行过程中电机保护器对电 机实行相应的保护功能; 当P L C判断出周围物理量检测 数据出现异常, 就会将数据传输发送到显示部分进行故 障报警, 通知工作人员进行故障处理, 待故障处理完毕并 确认以后重新对电机进行启动。 图1 基于P L C的掘进机电控系统结构示意图 2电控系统设计 2.1电控系统控制流程 在进行井下掘进机启动操作时, 需要按照一定顺序 进行。在P L C控制系统上电完成以后, 系统进入待机状 态, 然后根据指令开始启动。首先启动油泵电机, 然后进 行转载电机的启动, 最后进行截割电机的启动, 完成以上 步骤后掘进机开始掘进工作。如果需要停机, 要首先完 成截割电机停机, 再执行转载电机停机, 最后控制油泵电 机停机。 2.2主电路 在P L C掘进机电气控制系统中, 主电路主要完成系 统供电以及电流信号的采集, 主要包括隔离开关、 滤波电 路、 真空接触器以及电流互感器。主电路通过真空接触 器连接供电电源到系统, 通过真空接触器将油泵电机、 二 运电机以及截割电机提供电源, 通过控制回路控制真空 接触器线圈对启动停止进行控制, 通过滤波电路吸收电 路过电压, 电机运行过程中通过电流互感器检测运行电 流, 检测数据通过P L C的A D模块进行采样判断是否存 在过流、 过载现象[ 3]。 741 创新与交流 自动化应用 收稿日期 2 0 1 9 - 0 7 - 0 1 作者简介 岳涛涛 1 9 8 7 , 男, 山西省阳泉市平定县人, 毕业于中国矿业大学采矿工程专业, 本科, 助理工程师, 从事煤矿机电 技术类工作。 2 0 1 9年第0 7期 2.3控制电路 控制回路主要完成对主回路的控制, 主要包括主控 制器P L C 、 接触器以及中间继电器。系统中的P L C为 关键部分, 通过对中间继电器的控制实现主回路中相应 电机的启停, 同时利用R S - 2 3 2总线实现与显示系统的通 信, 实现运行状态的实时监控。同时,P L C扩展的模拟量 检测模块实现对电流信号以及温度信号的检测, 通过计 算比较判断系统运行状态, 如果发现故障则发送信息至 显示系统进行显示并报警[ 4]。 2.4系统保护与显示部分 系统保护电路主要包括温度检测电路、 漏电检测电 路、 瓦斯密度检测电路等, 实现对各对应物理量的检测, 并进入P L C进行分析判断。显示部分主要包括数据的 显示以及报警, 可以对系统状态实时显示, 并可以做出相 应的操作指令。 3主控制器设计 本文所采用的主控制器为P L C, 通过对P L C外围电 路的设计形成控制系统核心部分, 按照功能主要分为输 入部分、 输出部分、 电源部分以及通信电路部分。 3.1P L C控制电路设计 控制系统需要根据外部输入进行控制判断, 外部输 入包括开关量输入以及模拟量输入, 开光量信号包括总 急停开关、 瓦斯闭锁开关、 风电闭锁开关等, 模拟量输入 主要包括瓦斯浓度、 温度检测等。同时, 针对电机的运行 状况采集转速进行控制分析, 图2为本文设计的P L C控 制系统电路示意图。P L C分别具有两种通信总线形式, 分别是R S - 2 3 2和R S - 4 8 5, 可以分别连接相应的设备。 本文利用R S - 4 8 5实现与远程上位机进行数据传输[ 5]。 图2 P L C控制电路示意图 3.2电源电路 在P L C控制电路中, 设备所需要的电压不同, 在本 系统中共可以分为四种电源, 分别是 1P L C工作电源, 本文所使用的P L C工作电源为直流2 4V; 2 中间继电 器线圈电源, 本文采用的继电器控制电源为2 4V, 可以利 用P L C工作电源提供; 3 模拟量采集工作电源, 交流 2 2 0V; 4 真空接触器控制电源, 本文所采用的是交流 2 2 0V电源。本文需要的交流电压可以通过现场控制变 压器提供, 直流电源由开关电源提供。 3.3通信与显示电路 本文设计的控制系统包括通信及显示部分, 通信部 分主要完成远程控制, 系统可以通过本地控制还可以实 现远程 控 制, 与 远 程 控 制 基 站 的 通 信 模 块 采 用 的 是 SWE R - 1 2 0 0 N D, 通过P L C与远程基站无线通信的方式 实现数据的传输。同时, 系统存在现实电路, 可以在本地 进行数据的显示并可以完成远程显示, 程序运行时可以 通过选择实现本地控制与远程控制的切换。 4程序设计 4.1主程序设计 图3为基于P L C控制掘进机系统的主程序流程图。 该主程序的主要功能是进行各模块的初始化, 各项功能 的配置包括中断、 定时器等, 同时还有控制模式的选择、 故障判断等。 图3 控制系统主程序流程图 4.2掘进机控制子程序 图4为本系统的掘进机控制子程序流程图。掘进机 的工作流程分为四部分, 分别是启动、 加速、 恒速运行和 减速。其优点是能够有足够的时间来测量设备的位置和 状态等。掘进机运行过程中, 根据外围物理量的检测对 其进行相应的控制, 当外部出现紧急停机或者故障时系 统控制掘进机进行紧急停机, 防止发生严重事故。 841 自动化应用 创新与交流 2 0 1 9年第0 7期 图4 掘进机控制子程序 4.3通信程序设计 本文在R S - 4 8 5接口进行数据通信采用的是M o d b u s 协议, 这种协议具有运行可靠、 安装维护方便的特点, 目 前已经普遍应用。由于其具有较高的稳定性、 安装方便 以及通信速率快等优点, 因此目前在工业上具有很高的 普及率, 整个网络采用一主多从的方式进行通信。主站 由P L C主控制器组成, 主要功能是控制。其他箱体中的 控制器为从站, 主要是接收上位机的命令并执行。 5结语 针对传统掘进机控制系统的缺点, 本文设计了一种 利用P L C为主控单元的掘进机控制系统。该系统结构 简单、 故障点少、 运行可靠、 扩展性强。对掘进机控制能 够实现检测数据的实时显示, 并能够实现故障诊断远程 控制, 对煤矿井下掘进机控制具有较高效率, 能够满足现 场应用要求。 参考文献 [ 1]安栋, 贺虎成, 滕文. E B Z l 6 0型悬臂式掘进机电控箱升级 [ J].科学技术创新,2 0 1 84 4 4 - 4 5. [ 2]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, 2 0 1 7,3 81 1 7 - 9. [ 3]陈艳玲.矿用掘进机电控系统设计与实现[J].山东煤炭科 技, 2 0 1 71 0 1 2 9 - 1 3 0. [ 4]魏骄.井下掘进机电控系统改良分析[J].机械管理开发, 2 0 1 71 0 2 0 - 2 1. [ 5]刘海峰.煤矿新型掘进机电气控制系统研究[J].机械管理 开发, 2 0 1 7,3 21 0 9 8 - 9 9. 上接第1 2 0页 图4 1 5 0 A H双充双蓄的新型冗余型直流电源系统 4结语 电力系统一次、 二次设备的直流供电电源系统中, 针 对传统的直流电源系统在可靠性方面的弱点, 提出了一 种新型冗余型直流电源系统, 该系统将两套完整的直流 电源系统并联起来, 两套系统相互热备用, 解决了传统直 流电源系统中切换过程中的供电中断问题, 并解决了两 套系统并联时电池环流等安全隐患, 保证了直流供电系 统的可靠性。目前该新型冗余型直流电源系统已在多个 大型化工企业的重点装置中得以应用, 具有很强的实 用性。 参考文献 [ 1]国家电网公司.站用交直流一体化电源系统技术规范 Q/G DW5 7 62 0 1 6[S].2 0 1 1. [ 2]中华人民共和国国家发展和改革委员会.电力工程直流系 统设计技术规程D L/T5 0 4 42 0 1 4[ S].北京 中国电力 出版社, 2 0 0 4. [ 3]中华人民共和国国家发展和改革委员会.电力用直流和交 流一体化不间断电源设备D L/T1 0 7 42 0 1 6[ S].北京 中国电力出版社, 2 0 0 8. [ 4]鲁明, 胡凯, 沈兴来.变电站用直流系统并联蓄电池应用分 析[ J].技术应用,2 0 1 42 3 9 6 - 9 7. [ 5]彭刚毅.变电站电力操作直流电源系统的研究[D].长沙 湖南大学, 2 0 0 6. [ 6]谭家鹏.提高变电所直流系统供电的可靠性[J].黑龙江科 技信息,2 0 0 9 2 0 6 3. 941 创新与交流 自动化应用