plc在矿井采煤机控制系统中的应用.pdf

声明声明下面论文由免费论文教育网 http//www.PaperE 用 户转载自互联网，版权归原作者所有，本文档仅供参考，严禁抄袭 免费免费论文论文教育教育网网 - 1 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 PLC 在矿井采煤机控制系统中的应用 张嘉敏，丁娟，张能，王其虎* 作者简介张嘉敏（1986-），男，硕士研究生，主要研究方向为电机与电器. E-mail damen86 （中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏 徐州 221008） 摘要文章介绍了 SIEMENS 公司 S7 - 200 PLC 在矿井采煤机中的应用。对 PLC 系统进行 了软硬件配置，给出了 PLC 控制器的硬件构成与软件控制流程图。 设计了 PLC 程序实现 两种工作状态下的转速输出以及部分保护功能。 现场调试和运行结果表明， 本项目安全运行， 可靠性高，可以满足现场生产的要求。 关键词 PLC；采煤机；硬件；软件 中图分类号TM59 Application of PLC in Shearer Control System of Coal Mine Well Zhang Jiamin, Ding Juan, Zhang Neng, Wang Qihu School of Ination and Electric Engineering, China University of Mining and Technology, Jiangsu Xuzhou 221008 Abstract The paper introduces the shearer control system of coal mine well based on Siemens S7 - 200 PLC, describes software configuration and hardware configuration, gives hardware structure diagram and software program logic of PLC, and designs rotate speed output ability under two kinds of working state . It is proved by the practical test and operation results that the shearer control system which features safe operation and high reliability can meet the production requirements. Key words PLC; shearer;hardware;soft ware 0 引言引言 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]。如图 1 所示。 - 2 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 图 1 自动运行速度给定曲线 Fig. 1.Speed Reference Curve in Automatic Mode （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简介 图 2 采煤机控制系统 Fig. 2 Shearer control system 采煤机控制系统如图 2 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，如图 3 所示，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 - 3 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 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。 图 3 操作台实物图 Fig. 3 Pictorial diagram of operating plat 图 4 操作台的主要组成部分 Fig. 4 Main components of operating plat 如图 4 所示，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 - 4 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 块 EM235， 型号分别为 CPU226 AD/DC/RLY， EM232 AQ2*12Bit， 和 EM235 AI4/AQ1*12Bit。 该系统的硬件配置如图 5。 图 5 PLC 的硬件配件图 Fig. 5 Hardware configuration of PLC 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。程序流程图如图 6 - 5 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 自动 开始 初始化 低速起动 Y 主令给定 AD采样 到加速点 加速 到恒速点 N 高速恒速 运行 到减速点 减速 到低速点 低速运行 到爬行点 低速爬行 到终点 结束 到终点 转速0 加速度过大 运行 给定最大加 速度 Y N N N 到减速点 减速 Y Y Y Y Y Y Y N N N N N N N Y Y 图 6 运行流程图 Fig. 6 Flow Chart 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 - 6 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 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。 图 7 由 PLC 自动运行时产生的速度给定波形 Fig. 7 Reference Speed Created by PLC 图 7 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. 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