探讨PLC在矿井采煤机控制系统中的应用.doc

探讨PLC在矿井采煤机控制系统中的应用 0 引言 可编程控制器 PLC 用于机器的自动控制，具有体积小、功耗低、速度快、可靠性高、抗干扰性强等特点，同时具有灵活性和可扩展性。要改变生产过程只需改变程序即可，非常方便，这是继电器控制电路无法相比的[1]。PLC 已成为工业控制领域中最主要的自动化装置，它代表了当前电控技术的先进水平。以PLC 为核心的装置在矿井采煤机中的成功使用，不仅能代替复杂的继电器控制，而且以丰富的程序指令实现了原电子线路中不易完成的功能。在大大减小体积的同时，提高了系统的控制精度和可靠性，保证了矿井采煤机的安全运行[2]。 1 PLC 系统功能 根据矿井采煤机控制系统的要求，PLC 应具有以下功能 （1）按照系统状态，实现主令操作控制的软接线网络和操作台之间的信息传递、操作连锁，产生给全数字调速系统命令（起停、速度给定、运行方向、运行种类、故障复位及液压系统、安全保护等指令）。 （2）根据运行种类，将部分操作信号、保护信号以及设定的相关行程参数与轴编码器信号结合起来，进行逻辑运算处理，自动产生采煤机所需的速度给定信号（即运行曲线），为了尽量减少起动、制动过程中的机械冲击，提绞车控制精度，速度给定信号的加速、减速段为“S” 型曲线[3]。 （3）全数字行程控制。对采煤机位置及运行速度进行全行程控制和监视，使其按位置在准“S”形速度下运行，实现自动加速、减速，自动手动随时切换和精确停车，并以数字式动态显示采煤机行程位置。 （4）对整个系统进行监控并根据状态种类（紧停、整流逆变故障、事故报警、主控柜风机状态、离合器状态和液压站状态）作相应的处理，发出声光报警，并指出故障类型、部位。 2 采煤机控制系统简介 采煤机控制系统所示。原理如下操作台将操作人员的指令处理后，将电机的转向转速等控制信息传给控制柜，由DSP 控制主回路的整流逆变，从而达到控制采煤机（本文中采用开关磁阻电机）转速的目的[4]。同时，为了实现闭环控制，系统的各个部分之间要互通信息。具体体现如下控制柜向主回路提供控制信息的同时必须时时检测网侧电压、电机侧电流和电机转子位置；操作台在向控制柜发出启停、转向和转速信号的同时也接受控制柜的整流逆变故障信号和主控柜风机状态信号；操作台接受操作人员的指令控制的同时将报警或状态信息通过显示灯或显示屏回馈给操作人员，以便更好地控制。 操作台是本文研究的重点内容，主要由以下几个部分组成可编程控制器（PLC），变压器，滤波器，电源模块，各种继电器和显示灯，控制开关，液压站闸把，速度给定主令和显示器TD400。给定电机转速时，有手动和自动两种运行状态。手动时，电机的转速跟随主令的给定；自动时，根据采煤机行程位置，按照预先设定的6 段转速进行给定。 变压器将电压由380V 交流电降为220V，再经滤波器滤波，然后通过电源模块整流成24V 的直流电，供继电器工作。操作人员直接通过操作台上的液压闸把控制液压站进行紧闸松闸控制，速度主令给定手动时电机的转速，相关控制开关控制紧急停车、主回路通电、控制回路通电、自动手动切换、电机正反转等；同时，操作台上显示信号灯将当前系统的状态反馈给操作人员，如主控回路得电，限位，过卷，松绳等等。另外，PLC将启停、转向和转速信号传给主控板，同时接受主控板的整流逆变故障信号和主控柜风机状态信号。 3 硬件配置 本系统为矿井采煤机所设计，根据PLC 的I/O 节点使用原则，应留出一定的I/O 点做备用。系统中实际需要数字输入点20 个、输出点7 个，模拟输入点4 个、输出点3 个，因此我们选用西门子S7-200PLC[5]，模拟量输出扩展模块 EM232 和模拟量输入输出混合扩展模块EM235，型号分别为CPU226 AD/DC/RLY，EM232 AQ2*12Bit，和EM235 AI4/AQ1*12Bit。该系统的硬件配置。 硬件配件的主要部分功能如下 （1）CPU226。CPU226 具有24 个输入点和16 个输出点。PLC 的输入点接受来自操作台的电机起停、正反转和自动手动等命令。输入点I0.0 是一个高速输入口，其接受转子位置编码器信号，从而PLC 可以实时计算出采煤机行程位置和电机实际转速。PLC 的输出点接到电机主控板，控制电机的启停和转向，并控制各种显示装置进行报警。 （2）EM232。EM232 是具有2 个模拟量输出端的D/A 模块。它除了向主控板输出速度外，也将检测到的电机实际转速送至操作台上的转速表显示。 （3）EM235。EM235 有4 个模拟量输入端，1 个模拟量输出端。输入点接受手动时主令给定的速度大小和闸把信号，输出端接到液压站的控制板上去控制液压站的松闸和紧闸。 4 软件配置 硬件系统设计完成后，还需要用西门子STEP7 专业编程软件对整个控制程序进行设计。利用STEP 7-Micro/WIN 32 可以建立用户程序并把它下载到CPU。S7-200 CPU 程序由三个基本元素构成主程序、子程序（可选）和中断程序（可选）。程序主要实现自动和手动两种状态的运行。在自动状态下，PLC 的输出为6 段速度给定；手动状态下PLC 的输出跟随操作人员的主令给定，并由中断11 来限制最大加速度。程序流程图如 主程序在程序的主体中放置控制应用指令，主程序中的指令按顺序在CPU 的每个扫描周期执行一次。本系统中主程序包括首次扫描时高速计算器HC0 的初始化、两个定时中断的连接以及对各种子程序的调用。 子程序是程序的可选部分，只有当主程序调用它们时，才能够执行。本系统中的子程序有采煤机的行程，自动时的速度给定，手动时的速度给定，和TD 400[6]的显示。 中断程序是程序的可选部分，只有当中断事件发生时，才能够执行。本系统中用了两个定时中断（中断号为10 和11）。定时中断10 模拟量的采样时间设定为100ms，通过高速计数器HC0 测得在此段时间内的编码脉冲数来计算电机的实际转速。定时中断11 模拟量的采样时间也是100ms，它是用来计算手动给定的加速度，当加速度大于最大给定加速度时，中断程序返回一个最大的给定加速度值，防止转速给定在极短的时间里变化太大，造成电机转矩过高，电流急速上升。 为PLC 产生的自动时速度给定波形，可以看出PLC 按照行程产生了满足自动运行需要的速度曲线。采煤机系统按照速度给定曲线运行将大大降低人工参与操作控制的复杂性，同时还提高了系统运行效率和可靠性。 5 结束语 该系统投入应用后，改善了主令给定速度的平缓度以及增加了自动控制环节，能良好地运行于两种工作状态，提高了系统安全性、稳定性，明显地改善了起动时对减速器及钢丝绳的冲击，减少因人工操作可能引起的机械撞击。同时提高了提升机的自动化程度，减轻了的劳动强度，使企业自动化和现代化管理水平有很大提升。 [参考文献] References [1] 王永华.现代电气控制及PLC 应用技术[M].北京北京航空航天大学出版社，2003.Wang Yonghua. Modern electric control and Applied technology of PLC [M].Beijing University ofAeronautics and Astronautics Press.2003 [2] 何凤有，谭国俊.矿井提升机计算机控制技术[M].徐州中国矿业大学出版社，2003.He Fengyou.Tan Guojun. Computer Control Technology of Mine Hoist [M].China University of Mining andTechnology Press.2003 [3] 王清灵，龚幼民.现代矿井提升机电控系统[M].北京机械工业出版社，1996.Wang Qingling.Gong Youming .Modern Mine Hoist Electric Control System[M].China Machine Press.1996 [4] 蒯松岩.大功率开关磁阻电机四象限电压PWM 控制及应用研究.中国矿业大学工学博士学位论文.2006-12-17.9699.Kuai Songyan. Study on voltage PWM control and Realization of high-power SRM in four-quadrant.2006-12-17.96-99 [5] 西门子SIMATIC S7-200 系统手册[Z].北京西门子公司，2000.SIEMENS system manual for SIMATIC S7-200[Z]. [6] 廖常初. 西门子人机界面组态与应用技术[CD].北京机械工业出版社，2007.Liao Changchu. man-machine interface configuration of Siemens and its application technology[CD] .ChinaMachine Press.2007