施耐德PLC在煤炭采样机中的应用.pdf
第 3 2卷第 1期 2 01 1年 2月 华北水利水电学院学报 J o u rn a l o f No r t h Ch i n a I n s t i t u t e o f W a t e r Co n s e r v a n c y a n d Hy d r o e l e c t r i c P o we r V0 1 . 3 2 No .1 Fe b.201 l 文章编号 1 0 0 2 5 6 3 4 2 0 1 1 0 1 0 0 6 1 0 4 施 耐德 P L C在煤炭 采样机 中的应用 侯树 文 ,孔卫星 ,宋景瑞 ,金 杰 1 . 华北水利水 电学院, 河南 郑 州 4 5 0 0 1 1 ; 2 . 葛洲坝集团机 电建设有 限公 司, 湖北 宜 昌 4 4 3 0 0 0 摘要 为实现煤 炭检 验 自动化 , 采用施耐德 P L C研制 了一种新 型煤 炭采样 机 , 介 绍 了其 系统结 构及 电气 系 统方案设计 , 并着 重阐述 了控制 系统 的软件设计 . 关键词 施耐德 P L C; 煤炭采样机 ; 程 序 在煤炭综合利用企业 中, 大量燃煤入厂检验时 , 若 由煤炭采样机进行 随机采样 , 自动检验 比人工采 样更安全可靠 , 劳动强度更小 , 工作效率更 高, 且采 样 随机性 强 , 能保证 检验结 果 的 客观公 正性 . 1 采样机系统描述 1 . 1机械 结构 采样机总体采用行车式结构 , 主要 由行车支架 、 采样 头 、 大车 和小 车等 几部 分 组成 , 如 图 1所示 . 图 1煤 炭 采 样 机 俯 视 图 大车轨道安装在行车支架上 , 使大车可 以沿着 载煤车的纵向移动 , 而小车安装在大车上 , 可以沿着 大车横向移动. 小车下边安装有一个螺旋丝杠式垂 直输送器 , 螺旋丝杠式垂直输送器 由电机拖动产生 升降运动 , 而在输送器下端头处是一个特制的采样 头 , 用来 从 煤 层 里 取样 . 这 样 , 采 样 头 、 大 车 、 小 车 三 部 分就 构成 一个 三 维 运 动 系 统 , 可 以将 采 样 头 深 入 煤层任何位置、 任意深度进行取样工作 . 操作室放置 在行车支架旁边的透明玻璃房 内, 其 中放置着 主控 制柜和操作 台. 采样时 , 操作人 员在操作 室 中里操 控 , 就 可实 现 全 自动采样 . 1 . 2电气 结构 系统采 用施 耐 德 P L C P r o g r a mm a b l e L o g i c C o n - t r o l l e r 和工控 机两 级控 制 , 如 图 2所示 . P L C用 来接 收按钮 、 行程开关和其它开关量信号 ; 发出控制信号 给接触器、 继电器、 变频器等电气元件 , 进而驱动各 电机转动 , 同时显示相应的指示灯. 工控机用来设定 控制方式 , 在线监视以及修改与设定相应的参数. 工 控机通过串行 口与 P L C相 连 , 实现 相互通信 , 所 以 工 控机是 通 过 发 出命 令 去 控 制 P L C的 运 行 以达 到 进 行全 自动 控制 的 目的 . 在 系 统 中为 了测定 采 样 头 的位置而设置了三个光电编码器 , 分别安装在大车、 小车和升降机从动轮上引出的齿轮轴上. l SQ l{ Q 4 { SQ s{ SQ 6{ l I l I 大 大 小 小 升升 匝堕 垂 蜀 差 砉 差 砉 襞 I 限 限 限 限 上下 l 位 位 位 位 限 限 l 开 开 开 开 位 位 I 关 关 关关 开开 l 关 关 频器 I I 变频器 I I 变频器I I 交流接触器 大车电动机 l l 小车电动机 l I 升降电动机 l I 闸门电动机 图 2 电气控 制系统主控部件连接 1 . 3电控 系统 主要 器件 上位机 选用 工 控 P I U 8 6 6 / 1 2 8 M/ 3 0 G, 下 位 机 P L C可编程序控制器采用施耐德 T WI D O系列 , 并扩 展 I / O模块 T S X D E Z 3 2 D 2等 ; 接近开关及交流接触 收稿 日期 2 0 1 01 21 1 作者简介 侯树文 1 9 5 3 一 , 男 , 河北唐 山人 , 副教授 , 主要从事 电力系统智 能控 制方面的研究. 6 2 华北水利水电学院学报 2 0 1 1 年 2月 器采用 施耐 德 Q F系 列及 S Q系列产 品. 行走 驱动 采 用 Y E J 交 流制 动 电机 , 使其 能在 失控 或 停 电状况 下 自锁 , 防 止事故 的发 生. 交 流制 动 电机 由变 频 器 西 门子 6 S E 6 4 4 2 U D 2 3 0 B A 0 控制其转速 , 使大车 在启动、 停止、 定位时平稳、 准确. 2 采样 机系统 电气设计 2 . 1供 电 回路 三相电源经桥架进入 电气柜后分为两路 , 如图 3所示 . 一路 电源连 接照 明灯 也 可加 空 调 , 图 中 L 代表一个或多个灯 , 以便在检修时也不影响其正常 使用. 另一路通过一个总空气开关 Q S 1 后为系统 中的主电路及控制 回路供 电. 其 中主电路连接接触 器 、 电机 ; 控制 部分 采用 一 个 2 k W 的变 压 器 T C 2 将 3 8 0 V 的 电 压 变 为 2 2 0 V, 并 且 在 输 出 侧 分 成 3 路 , 分别 提供 给工控 机 、 P L c和继 电器 回路 . 图 3供 电 回路 机 器 回路 2 . 2电机控 制 电路 大小车控制 回路跟升降机控制 回路大致相似 , 在此主要介绍升降机控制 回路 , 如图 4所示. 图 4升 降 机 电 机 控 制 回路 在这个控制 回路 中, 熔断器 F U 2 和热继 电器 F R 3 , 起 短 路 、 过 电流 保 护 作 用 , 用 2个 接 触 器 K M1 , K M 2 实现电机, 的正反转 , 然 后再接一个接 触器 K M3 来实 现升降机紧急提 升 . 图中 u 1 为变频 器 , 控 制交 流异步 电动机 带动 升降机 , 在 变频 器 的后 面 接 一 个 接 触 器 K M1 , 有两 个 目的 一 是 接触器线圈得电闭合 , 电机正转 , 升降机下降采样 ; 二是在 紧急提升 时断开 变频器 以防止短 路事故. K M2得电闭合 , K M 3断开 , 电机反转 , 升降机正常提 升; K M 2 、 K M 3同时得 电闭合 , 电机反转 , 升降机 紧 急提升. 2 . 3控制 回路 控制 回路 主要指系统中电气控 制部分 , 采用了 过热保护、 限位保护、 自锁保护和互锁保护. 系统控 制 回路上 电图如 图 5所 示 , S B 0为急 停 按钮 , S B 1为 启动按钮 , K M4为系统 动力上 电接触器. 当 S B 1闭 合时 , K M 4自锁持续导通 , 为系统供 电. K A 1串联 5 个热继电器 , 只有所有线路都不“ 过热” 时, K A1线 圈才得电输出信号 , 以保证 系统 的安全运行 , 其 中 F R 4 , F R 5是在大车、 小车控制 回路中起保护作用 的 热继 电器. S B 3为上电按钮 , S B 4为断 电按钮 , K A 2 供 电给 P L C输 出 回路 , 只有 K A 2得 电 吸合 , P L C输 出回路才有电, 才能输 出控制信号给执行器件. 其中 串接 K M1的一个常开触点, 用以在紧急提升时断开 P L C的输 出电源 . 图 5 系统 控 制 回 路 上 电 图 升降机紧急提升控制 回路如 图 6所示, S B 5为 施耐德旋 钮开关 , 在控制 电路 中分别加入 K M1与 K M2 、 K M1与 K M 3的电气互锁保护 , 还运用旋钮开 关 , 双重 保护 以 求 系统 安 全 . S B 2为 紧急 提 升按 钮 , S Q 5是升降机上限位开关. 图 6升降机紧急提升控制回路 第 3 2卷第 1 期 侯树文 , 等 施耐德 P L C在煤炭采样机 中的应用 6 3 正常工作时 , S B 5常闭 , K M 2断开, K M1闭合 , 变频 器得 电 正常驱 动 电机 正转 , 升 降机 下 降. S B 5常 开 , K M 2闭合 , K M1断 开 , 变 频器 断 电停 止 工作 , 电 机正常反转 , 升 降机上升 , 直至最高处触碰 S Q 5而 停止. 紧急提升时 , S B 2闭合 , S B 5常开 , K M2闭合 , K M1断开 , K M 3闭合 , 升降机紧急提升. 3系统控 制软件设 计 3 . 1 P L C程 序 的总体 结构 P L C是一种以微处理器为核心 , 综合 了计算 机 技术、 自动控制技术 和通讯技术而发展起来的新 型 工 业 自动控 制装 置 . 该 系统 的 P L C软 件 采 用 了 T w i . d o语言中的类似于一般高级语言子程序的块功能 , 虽然程序不是特别复杂 , 但是用这种方法明显提 高 了程序的可读性及可维护性 , 给修 改或升级都带来 方便. 主程序 、 子程序可以放人“ 功能块” 中. 系统 的 总体流程如图 7所示 , 其 中虚线所示部分 由 P L C系 统程序本身完成. j I 口j r }1 厶 l I⋯ ⋯ I } J l 设备有故障I J l 判断操作方式I 手动 l 半 自动 全 自动 I I I I 大车手动操作f 大车半自 动操作’ 大车全自 动操作f J { I I 小车手动操作l 小车半自 动操作。 小车全自 动操作I I l I l 升降手动操作1 . 升降半自 动操作l 升降全自 动操作l ● I I 闸门手动操作l 闸门半自 动操作 闸门全自 动操作I I l l I I显示灯 控制l ● l 其它部件控制I I 垄 琶 堕 塑 塑量 图 7 P LC 程 序 的 总 体 流 程 3 . 2 P L C控 制部分 的 安全 性及 可 靠性 采用 以下方法 以保证 P L C控制部分 的安全性 和可靠 性 a . 利用双重限位开关控制大 、 小车和升 降机 的 运行范围. b . 升降机下降时 首先判断钻 头套管 的管壁是 否完全处于车厢之 内, 只有确认管壁完全处于车厢 之内时, 才允许钻头下降 , 否则禁止下降. 这是通过 装在大车上 的两个 限位开关信号而实现的, 这样可 以避 免钻头 撞 击车 沿 的重大 事故 . c . P L C程序中加入互锁控制增强 系统可靠性. 首先 , 大、 小车与升降机的运动建立互锁 , 即大 、 小车 与升降机不能同时运行. 其 次, 大 车、 小 车、 升降 、 闸 门、 钻头等需要正反 向运动的两个方 向之 间在 P L C 程序中都加入了软件互锁 . 3 . 3 P LC程序 设计 P L C采样流程如图 8所示 , 矩形方框代表完成 某一动作 的控制程序 , 方框之间的箭头线用 以表示 程序的转换 , 箭 头线 上 的小 横线 用 以表示 转换 的 条 件. 原点 X0 0 5 起动 1 程序M1 0 0 L1 原点指示灯 、 、% G o . 1大车前行 %1 0. 1 上. . . ⋯。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . l 2 程序M 1 0 1 l厂 、% Q O . 2小车右行 3 程序M 1 0 2 、% Q O . 3下降采样 4 程序M1 0 3 l厂、 % Q O . 4关门 % 1 0.7 J一一一一一一一一一一一一一一一一j 厂 葬 n % Q O 5 上 升 T ]厂 、 、 % Q O -6小 车 左行 7 程序M l 0 6 l 、 、/ o Q 0 . 7大车 后退 8 程序M1 o 7 / o QO . 8开 门卸料 图 8 P L C一次采样流程 当采 样器 位 于原 点 时 , 压 下 左 限位 开 关 和 右 限 位开关 , 输 入 点% I z和% I Y接 通 , 产 生原 点 指 示 灯 输 出. 采样 器 的动作 从按 下 起 动按 钮 开 始 , 执 行第 1 程 序 , 产生 前行 输 出 , 大 车 向前 移 动 ; 当前 行 达 到 坐 标 时 , 输入 开关 % I O . 1断开 , 输 入 开关 % 1 0 . 3接 通 , 转入第 2程序 , 小 车右行 , 到达坐标 , %1 0 . 3断开 , 输人开关%1 0 . 5接通 , 接通 第 3程序 , 采样器下 降 开 始采样 ; 采 样 完 毕 , % 1 0 . 5断 开 , 输 入 开 关 % 1 0 . 7 接通 , 接 通第 4程 序 , 采样 器 下 面 的 闸 门关 闭 ; 适 当 延时, %1 0 . 7断开 , 输入 开关%I O . 6接通 , 接通第 5 程序 , 采样器上 升返 回原点坐标 平面后 , %1 0 . 6断 开; 输入开关% 1 0 . 4接通 , 接通第 6程序 , 小车左 行 , 返 回坐标后 开 关% 1 0 . 4关 断 ; 移 位 寄存 器 移 位 , 输入开关%1 0 . 2接通 , 接通第 7程序 , 大车后退 , 到 达 原点 后 % 1 0 . 2关 断 ; 移 位 寄 存 器 移 位 , M1 0 7接 华北水利水电学院学报 2 0 1 1年 2月 通 , 输 入开 头%1 0 . 8接 通 , 运行 第 8程 序 , 采 样 器 下 面的闸门打开卸料 , 卸完后%1 0 . 8断开. 此 时采样 器位于原点 , 原点指示灯亮 , 完成一个 随机点的采 样. 当按下全 自动按钮 , 移位寄存器继续移位 , 电机 1再次启动 , 又从第一程序开始 , 循环执行程序 , 实 现 随机采样 点 的采样 . 4 系统抗干扰措施 P L C控制系统的可靠性直接影响到工业企业 的 安全生产和经济运行 , 系统的抗 干扰能力是关 系到 整个系统可靠运行的关键. a . 采用性 能优 良的 电源 , 在 电源 输 入端 加 入 隔 离变 压器 和低通 滤波器 , 抑制 电 网引入 的干扰 . b . 为 了减少电缆辐射电磁干扰 , 尤其是变频装 置馈 电电缆可采用屏蔽电缆. c . 正确 选择接地 点 , 完 善接 地系统 . 5 结语 以先进 的煤 质监 测技 术 为核 心 的入 厂 煤 “ 采 制 检” 设备一 体化系统方案, 有效地提高 了入厂煤的 自动化管理水平 , 降低了人为因素的干扰 , 实现了用 煤企业对节能降耗 的诉求 , 为提高企业经济效益提 供了有效 的辅助管理手段. 经生产实践证 明 采用 P L C控制 , 简化了电气控制系统 , 使采样机工作更稳 定、 更可靠、 更灵活 , 工作效率明显提高, 并为企业带 来了可观的经济效益和 良好的社会效益. 参考 文 献 [ 1 ]宋 德玉 . 可编 程序 控制器原 理及 其应 用系 统设 计技 巧 [ M] . 北京 冶金工业 出版社 , 2 0 0 0 . [ 2 ]复辛明. 可编 程序控 制器 技术 及应 用 [ M] . 北 京 北京 理 工大学出版社 , 1 9 9 8 . [ 3 ]段然. 可编程 控制 技术在 采样 机控制 系统 中的应用研 究 [ D] . 西 安 西北工业大学 , 2 0 0 1 . [ 4 ]郑 展. 现代可 编程控 制器 原理 与应 用 [ M] . 北 京 科学 出版社 , 1 9 9 9 . [ 5 ]廖 常 初. P L C编 程与 应 用 [ M] . 北 京 机 械 工 业 出 版 社 , 2 0 0 5 . App l i c at i o n o f S c hne i de r PLC i n t he Co a l Sa mpl i ng M ac hi n e HOU S h u. we n ,KONG We i . x i n g ,SONG J i n g . r u i ,J I N J i e 1 . No A h C h i n a I n s t i t u t e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d Hy d r o e l e c t r i c P o w e r ,Z h e n g z h o u 4 5 0 01 1 ,Ch i n a ; 2 . G e z h o u b a G r o u p Me c h a n i c a l &E l e c t r i c a l C o n s t r u c t i o n C o .L t d , Y i c h a n g 4 4 3 0 0 0 , C h i n a A b s t r a c t T o r e a l i z e t h e c o a l i n s p e c t i o n a u t o m a t i o n 。 a n e w t y p e o f c o a l s a m p l i n g ma c h i n e i s d e v e l o p e d b y S c h n e i d e r P L C P r o g r a m m a - b l e L o g i c C o n t r o l l e r .Th e p r o j e c t d e s i g n o f t h e s t r u c t u r e a n d e l e c t r i c a l s y s t e m o f t h i s s a mp l i n g ma c h i n e i s i n t r o d u c e d ,a n d t h e s o f t wa r e d e s i g n o f i t s c o n t r o l s y s t e m i s ma i n l y di s c us s e d. Ke y wor d sSc h n e i de r P LC;c o a l s a mp l i n g ma c hi n e;p r o g r a m 责任编辑 陈海 涛