基于PLC的掘进机电机温度保护系统的研究.pdf

煤矿现代化 2 0 1 3 年第4 期 总第1 1 5 期 基于 P L C的掘进机电机温度保护 系统的研究 苗祥云 ， 路兴峰 z ， 李文亮 s 1 ． 兖矿 集团机 电设备 制造 厂电气制造分厂 ， 山东 邹城 2 7 3 5 0 0 ； 2 ． 兖矿集团机 电设备 制造厂 电气研 究所，山东 邹城 2 7 3 5 0 0 ； 3 ． 兖矿 集 团机 电设备 制造厂采掘研 究所 ， 山 东 邹城 2 7 3 5 0 0 摘要本文 以 E B Z 1 6 0型掘 进机 为研 究对 象， 详 细阐述 了基 于松 下可编程控制 器 F P 0 一 C 3 2 C T 和 A I D转换 单元 F P 0 一 A8 0 ， 经过 P T 1 0 0铂热电阻和热继电器采集、 安全 隔离栅 处理 ， 最终 实现对掘进 机截割 电机 、 油泵电机温度的实时显示功能和超温 自动断电保护功能。 为井下掘进工作面的安全稳 定 运行 提供 了技 术 支持 。 关键词可编程控制器； A I D转换单元 ； P T 1 0 0铂热电阻； 热继电器； 安全 隔离栅 中图分类号 T P 2 7 3 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 9 0 7 9 7 2 0 1 3 0 4 0 0 5 9 0 3 1 引言 煤炭是重要 的一次能源 。随着工业的发展 ， 生产 规模不断扩大 ， 煤矿对掘进机的性能 、 质量 、 品种的要 求也越来越高。近年来 ， 随着采煤机械化程度 的不断 发展 ， 大大提高工作 面的开采 强度 ， 工作面的推进速 度越来越快 ， 这就要求要有 良好的电气设备为掘进机 保驾护航 ，然而 良好的电气设备必须对掘进机截割 、 油泵电机加以温度检测和保护， 防止超过电机最高允 许温度 1 7 0 ， 造成 电动机过热损坏 ， 严重时可能引 发安全事故现象发生。 由此可以看出掘进机 电机的温 度保护系统是至关重要的 ， 开发具有温度保护系统的 掘进机 电控对掘进机的整机来说是非常关键的。 本文以我厂 自主研制 的 E B Z I 6 0型掘进机为研 究对象 ，电控部分采用松下 F P 0系列的 P L C为核心 控制单元 ， 具有运行稳定 、 质量可靠 的特点 ， 已在我 们局 内各矿 、 内蒙 、 贵州 、 山西等各大煤矿得 到广泛 应用 ， 并获得 良好 的口碑 。 2 温度实时监测的研究步骤 电机 的温度 检测是 利用安装 在 电动机 内部 的 I Y I 1 0 0热电阻 ，当温度在一定范围内发生变化时 ， 其 阻值随温度的变化而呈线性的变化来实现的。 由于温 度保护是把 t r l 1 0 0热 电阻安装在 电动机 的内部 ， 这 就可实现很多情况下的保护。例如 重复短时运行电 动机的过载 ； 机械损毁剧增 ； 通风不 良； 由于电压或频 率增加 ， 引起铁损增加 ； 不对称 电压引起 的过载 ； 转子 过热等。 此时， 把保护元件安装在电动机内部， 可消除 各种温度对热 电阻的影响 ， 提高测量精确性_ 1 l 。 本 文所研究 E B Z 1 6 0掘进机在截割 电机 、 油泵 电 机 的选取上 ，选择 了具有嵌入式 P T 1 0 0铂热电阻的 隔爆型三相异步电动机 ， 在实际应用 时 ， 通过三线制 连接 ， 将热 电阻信号接在 G S 8 0 7 9隔离栅 上 ， 通过隔 离栅将来 自电机 的危险热电阻信号 隔离转变为 4 ～ 2 0 m A的安全 电流信 号 ，然后通过 F P 0 P L C通讯 到显示屏上 ， 从而实现对温度的实时显示。当电机温 度低于 1 7 0 ℃时对 电机没有影 响 ， 正常运行 ， 但 当电 机温度达到临界值 1 7 0 时 ， P L C控制系统会 自动切 断 电机 电源 ， 实现对电机 的温度保护。温度检测系统 如图 1 所示。 1 根据本矿实 际设计 的矿井 防灭火设计 的应 用 ， 才能有效 的为矿井安全生产保驾护航 ； 2 开采 自然发火煤层 ， 应建立完善的灌浆输水 系统 ； 3 选择优质高效的凝胶材料 ， 其因具有密封严 密 、 脱水性好 、 凝胶效果好 、 渗透性强 ； 4 强化阻化剂喷洒工作 ， 坚持全工作面足量喷 洒 。 参考文献 【 1 】余 明高． 中国煤炭防灭 火技 术的最新进展 及应用【 J J ． 矿 业环 保与安全 ， 2 0 0 0 2 ． [ 2 】邓凯， 黄鹂， 彭伟， 等． 矿井防灭火技术现状及研究『 J 1 ． 煤炭 技 术 ． 2 0l 1 7 ． [ 3 ]王俊峰 ， 邬剑明， 吴玉国． 基于火源探测的凝胶灭火技术在 西铭矿 4 9 3 0 9工作面的应用f J 1 ． 中国煤炭， 2 0 0 8 1 ． 【 4 J赵磐， 邬剑明， 周春山． 自燃采空区注浆灭火扩散行为研究 『 J 1 ． 矿 业环保与安全 ， 2 0 1 3 1 ． 【 5 ] 吴浩仁 ． 浅议防止煤炭 自燃 阻化剂I J 】． 科技信 息， 2 0 1 2 2 8 ． 作者简介 朱钰 1 9 8 7 一 ， 男， 毕业于山西省煤炭职业技术学院， 现任 职于山西煤炭运销集团生产技术部从事煤炭管理工作。 收稿 日期 2 0 1 3 1 2 9 59 煤矿 现代化 2 0 1 3 年第4 期 总第1 1 5 期 图 l 温度保护 系统 图 2 ． 1 P T 1 0 0铂热电阻的原理 热电阻是中低温区最常用的一种温度检测传感 器 。 主要特点是测量精度高 ， 性能稳定。 其中 P T I O 0即 铂热电阻的测量精度是最高的， 不仅广泛应用于工业 测温， 而且被制成标准的基准仪。它的阻值会随着温 度 的变化而改变。 由于 P T I O 0 铂热电阻具有抗震性能 好 、 测温范围广 、 测量精度高 、 机械强度高、 耐压性能 好等优点， 可以直接测量各种生产过程 中的 一 2 0 0 ℃ ～ 8 5 0 范围内液体 、 蒸汽及 固体表面温度f 2 ]。P T 0 0将 温度的变化值转换成自身电阻值的变化， 其电阻和温 度变化的关系式为_3 l R t R 0 1 A T B T ，T 0 ， 8 5 0 ] 1 式 中 R 1 为 1 0 0 n 在 0 时的阻值 ， A 3 ． 9 0 8 0 2 1 0 ℃一， B 一 5 ． 8 0 21 0 o c ， T为摄 氏温度 ，范 围为 0 C～ 8 5 0 oc 。 由式 1 可以得出， P T 1 0 0电阻值 R I 与 温度 T是线性的正 比例单调 函数 ，实际测量 中有 良 好的重复性 。 2 ． 2 热电阻信号 的处理 热电阻输入浪涌保护隔离栅 G S 8 0 7 9 一 E X的左侧 是浪涌保护 电路 ， 可有效保护隔离栅 电路 以及与其连 接的控制室设备免受雷击浪涌电压的损坏。 热 电阻作 为危险区， 选择三线制连接在隔离栅 G S 8 0 7 9 一 E X上 ， 当电机温度达到 1 7 0 时的负载电阻即 R L的阻值 由 公式 1 可测算 出约为 1 6 4 ． 7 6欧姆 ， 查 G S 8 0 7 9 一 E X 手册得知 ， 输入的热 电阻值小于 5 5 0欧姆时 ， 安全 侧输 出电流为 4～2 0 m A。即为 P L C和 A ／ D转换单元 可以处理的 42 0 mA电信号。如图 2所示。 图 2 G S 8 0 7 9 一 E X隔离栅接 线图 2 ． 3 F P 0 一 A 8 0转换特性分析 F P O A 8 0 A ／ D转换单元 ， 亦称 “ 模数转换 器” 。 将模拟量或连续变化的量进行量化 离散化 ， 转换 为相应 的数字量的电路。A ／ D变换包含 三 三 个部分 抽 样 、 量化和编码 。一般情况下 ， 量化和编码是 同时完 成的。 抽样是将模拟信号在时间上离散化的过程； 量 6 0 化是将模拟信号在 幅度上离散化的过程 ；编码是指 将每个量化后的样值用一定的代码来表示。 隔离栅输出的 4 ～ 2 0 m A的模拟量电信号传输 到 F P 0 一 A 8 0模 块 ， 经过 A ／ D转换 ， 变 成可 以用 于计 算的数字量信号， 其 A ／ D转换特性图为 图 3 4～2 0 mA模拟 量信 号的 A ／ D转换 特-眭图 由图 3可得 4～2 0 m A的 A ／ D转换值对应表 l 表 1 A ／ D转换值对应 表 输入电流 m A A ／ D转换值 4 8 0 0 5 1 0 0 0 7 ． 5 1 0 l 2 ． 5 l 5 l 7． 5 2 0 1 5 00 2 0 0 0 25 00 30 00 3 5 0 0 40 0O 当输入值低于 0 m A时， 转换值为 0 ； 高于 2 0 m A 时 ， 转换值为 4 0 0 0 。 通过以上的特性分析，我们将 F F 1 0 0热电阻测 得的电机温度值 T的变化成功的转换成了 P L C可以 直接读取计算的数字量 K值 。 2 ． 4 P L C对转换值的处理 根据松下 F P O A 8 0手册 ，结合表一的数值 ， 4～ 2 0 m A的电信号的A ／ D转换值对应到温度测量值的 计算公式为 T 二 墨 T』 一限一 T下 限 T下 限 2 4 0 0 0 - 8 0 0 1 L l 』 一 限 一l下限／ l下限 L 式 中 K为 A ／ D转换值 ； T下 限、 T E 限 为需要测温物体 的测温范围， 电动机的最高允许温度为 1 7 0 c C ， 电机 内的热继 电器在 1 7 0 ℃时也会动作 ， 为防止热继 电器 损坏 ， 我们将 温度检测 的上 限值设定为 2 0 0 ℃， 以防 止热继电器损坏后不动作 ， 而操作者可 以直接监控 。 所 以 T下 限 0 ℃ ， T 限 2 0 0 。 【 二 。 F P 0 一 A 8 0单元 安装在 F P O C 3 2 C T P I C右 侧第 一 扩展位置 ， 有 8个输入通道 C H0～C H 7 ， 我们仅采 用 C H 0 、 C H1 两个通道 ， 其通道数据作为 I ／ O数据 的 分配地址分别是 C H 0为 WX 2 ， C H1为 WX 3 。 以下是 根据公式 2 利用 F P Wi n G R编写 的 A ／ D转换单元 程序 这样 ，通过 P T 1 0 0检测到的掘进机截割和油泵 电机 的温度值经过隔离栅转换 、 A ／ D模块处理 ， 经过 煤矿 现代化 2 0 1 3 -r 第4 期 总第1 1 5 期 P L C的最后运算处理 ，最终被存放在数据寄存器 D T 1 0和 D T 1 2里面，再通过 R S 2 3 2通讯到液 晶显示 屏上实时显示 出来 ， 供操作者检测查看 。 从 而最终实 现 了温度实时显示的检测功能 。 3 超温断电保护的实现 我们 在最初截割电机 、 油泵电机 的选型时 ， 选择 了具有预先埋人式温度继电器的电动机，动作温度 值为 1 7 0 ℃。它直接埋人电动机绕组中， 当电动机过 载或由于非电流过载使绕组温度升高至 1 7 0 ℃设定 极限值时， 带有一对触头的双金属片受热产生弯曲， 使触点断开而切断电路。 嵌入式温度继电器体积小、 安装方便 、 动作灵敏 、 温控准确 。埋入式温度继 电器 具有以下特点 无电流效应设计 ， 产品的动作温度决 定了切断 电路 的敏感度 ，使用 时可根据脱 口电流 一 时间特性的曲线选用与电机 匹配的保护器 ；稳定可 靠的寿命； 精准的动作温度； 快速切断电源_4 1。 因为温度继电器预埋于高压危险侧， 我们在将其 动作触点引出时不能把它直接接人 P L C进行处理， 同 样需要加隔离栅进行安全隔离处理。 选取 G S 8 0 1 2 一 E X 开关量输入、 继电器输出式隔离栅。见图4 r _ Rn1 F - 图 4 GS 8 0 1 2 一 E X 原 理 图 在截割 电机或油泵 电机 的温度达到 1 7 0 ℃及 以 上时， 电机 内的热继电器动作 ， G S 8 0 1 2 一 E X隔离栅将 热继电器动作的开关量信号安全隔离后输出给 P L C ， P L C接 收后按 照程序 迅速 切断 相应 回路 的控制 电 源， 使电机停止工作 ， 同时屏幕显示故障 截割电机 超温或油泵电机超温 ， 此时必须停 电复位 ， 等 电动机 温度降到适当的温度 ，并查明超温原因才能送电开 机 ， 实现对电动机的超温断电保护功能。其超温断 电 保护程序如下 ，其 中 Y 2为油泵电机输出 ， Y3 、 Y 4分 别 为截割 电机高 、 低速输出。 在出现超温故障时的屏幕显示见图 5 图 5 电机超温故障的显示 4 结论 通过预埋于电机 内的 P T 1 0 0铂热 电阻 ， 将截割 、 油泵 电机的温度变化传送 出去 ，经安全隔离栅 隔离 转换成 A ／D转换单元可以识别的 4 ～ 2 0 m A电信号 ， 传输到 P L C进行处理后， 经 R S 2 3 2通讯到显示屏 ， 从 而实现温度实时显示功能 ； 通过预埋 的热继电器 ， 在 温度超过 临界值 l 7 0 ℃时 ， 热继电器动作 ， 一对开关 量信号经安全隔离栅 隔离后输入 P L C ， P L C动作切 断电机主回路电源 ，进而实现对掘进机电机 的超温 自动断电保护功能。 本文介绍的方法 ，不只适用于掘进机 电机温度 保护， 对于其他矿用电气的温度保护亦有借鉴作用。 参考文献 [ 1 】 韩永林． 基于 P L C控制 的电动机温度保护． 中国西部科技． 2 01 1 ． 0 5 ． [ 2 】 张莉， 董银丽． 牛顿法与解析法在 P t l 0 0铂热电阻温度计算 中的特性 分析． 现代 电子技 术． 2 0 1 0 ， 1 1 1 3 5 1 3 7 ， 1 4 0 ． [ 3 1 李吉林． 9 0国际温标 常用热电偶、 热电阻分度表【 M】 ． 北 京 中国计量 出版社 ， 1 9 9 8 ． [ 4 】 夏杰．P L C在电动机温度保护中的应用． 中国西部科技． 2 0 0 8 ． 01 0 5 - 0 6 ． 作者简介 苗祥云， 男， 1 9 8 3 年出生， 汉族， 2 0 0 7年毕业于青岛科技 大学自动化专业， 工学学士， 助理工程师， 现任职于兖矿集团 机 电设备制造厂 电气制造分厂。 收稿 日期 2 0 1 3 2 2 6l