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P L C 在交流电牵引采煤机电气控制系统中的应用 Th e appl i ca t i on of PLC i n t he el ect r i c con t r ol s y st em of t h e s hear er w i t h AC el ect r i c t r act i on 刘冬梅 L I U Do n g me i 荆楚理工学院 电子信息工程学院。荆门 4 4 8 0 0 0 摘要 随着社会经济的发展 ，世界各个采煤国越来越多以电牵引采煤机作为主导机型。为了满足高 速工作面和提高效率 ，采煤机必须大大提高牵引速度，牵引力也应相应增加。交流电牵引采 煤机适用于现代化矿井 ， 在矿井作业时既可保证高产生产 ，又能提高工作效率。先进的电子 设备，可靠的控制系统，以确保整体性能和采煤机提高其可靠性具有极其重要的影响。 关键词采煤机；控制系统；可编程控制器 ；应用 中图分类号T P 2 7 3 文献标识码B 文章编号1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 2 0 6 下 一 0 1 3 O ～ O 3 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 2 ． 6 下 ． 4 1 1 P L C的特点 1 P L C是一个 可编 程逻 辑控 制器。它对 一 类可编程的存储器进行采用 ，在其 内部存储程序 ， 逻辑运算 执行方面 ，计数和算术运算等面 向用户 发 出的指令 ，并通过数字或模拟输入 ／ 输 出方面， 对 各种类型 的机械 以及生产过程进行控制。P L C 具 有 以下 优点 1 系统构 成灵活 ，扩展容 易，以开关量 控 制为其 特长 ；也能进行连续过程 的 P I D回路控制 ； 并能 与上位机构成复杂 的控制系统 ，实现生产过 程的综合 自动化。 2 使 用方便 ，编程 简单 ，采 用简明的梯 形 图、逻 辑图或语句表等编程语言 ，而无需计算机 知识 ，因此 系统开发周期短，现场调试容易。另 外 ，可在线修改程 序，改变控制方案而不拆动硬 件。 3 能适应各种 恶劣的运行环境 ，抗干扰能力 强 ，可靠性强，远高于其他各种机型。 2 随着社会经济的发展 ，世界各个采煤 国越 来越多以电牵引采煤 机作为主导机型。为了满足 高速工作面和提高效率，采煤机必须大大提高 牵 引速度，牵引力也应相应增加。交流电牵引采煤 机适用于现代化矿井 中，在矿井作业时既可保证 高产生产 ，又能提高 效率。先进的 电子设备，可 靠的控 制系统 ，以确保整体性能和采煤机提高其 可靠性 具有极其重要 的影 响。因为采煤机有着复 杂及恶劣的工作环境 ，会产生比如较 强的电磁干 扰、工 作时会 有强烈 的振动、电源不稳 定等 等， 高功率 的变频器 ，并有大 量的 电力 污染和灰 尘， 湿度和其他许 多严重 的不利因素，这些都对采煤 机电气控制系统的设计提出更高的要求。MG在 中 国的系列在主板上的逆变器型交流牵引采煤 机电 气控制 系统设计 ，充分考虑到可编程控制器 P L C 被充分考 虑，其硬件 和软件 技术是 日趋完善 的， 并 具备很 强的抗干扰 ，配置 灵活性和高 可靠性 ， 更适合在恶劣环境下使用。因此使用 P L C电气控 制 系统的核心组件 ，再加上 自主开发的专有接 口， 实现采煤机控制系统 ，监测，保护和展示。 2 电子控制系统控制 A C逆变器板式牵引采煤机，电子控制 系统实 现 了操作，具有控制和保护功能 1 根 据开采过程 中，煤炭开采作业需要 的驱 动器来控制主机的启动和停止 ，速度控制 牵引动 力传输 ／ 电源 ； 2 为了便于司机对采煤机做 到灵活使用，设 有机身末端控制器、机身 中央控制箱面板 以及无 线电遥控操作 ，这三种方法可以灵活应用 ； 3 恒功率电机和重型 自动反 向 自动牵引控制 方 面 的实现 ； 4 切割和 牵引电机过流 和温度保护 ，包括 四台电机反时限电流继 电器 的保护 ，以保护 电机 块 ；高温作 业时 ，对保护 整定值进 行 自动 调整 ； 电机过热时会进行报警 ，并且 在断电的时候可 以 起到保护作用 ； 收稿日期2 0 1 2 - 0 4 - 0 9 作者简介刘冬梅 1 9 7 6 一，女，湖北荆门人 ，讲师，硕士，研究方向为电气控制和计算机控制。 [ 1 3 0 1 第3 4 卷第6 期2 0 1 2 6 下 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 、I 訇 化 5 对摇臂进行升或降 ； 6 用中文显示运行参数， 自动锁定故障 以及 参 数记忆 。 3 系统硬件和系统结构配置 为了对 以上资料进行说 明，本文采用 了美 国 通 用电气公司 GE F a n u c 9 0 3 0 P L C当作控制系统的 主要部件。具体硬件结构如表 1 所示。 表1 采煤机电控系统P L C 硬件配置表 I 序 号 f 名 称 l 型 号 I 1 C P U l C P C 3 3 3 l 2 底 板 l C H S 3 9 7 I 3 J 电源模块 f P WR 3 2 1 T l 4 I 开 关 量 输 入 模 块 M D L 6 5 5 l 5 I 开关量输t tt 模块 M D L 9 4 0 l 6 I 模拟量输入输出模块 A L G 4 4 2 l 7 l 热电阻温度模块 1 R T D 6 0 0 在这个 系统 中，从采煤机作战指挥 中的控制 面板 中，从无 线电遥控信号接收器和水信号通过 布 线故障逻辑处理 的第一个信号结束后变换处理 操作 后 ，3 2点数 字 到 P L C的输 入模 块 MDL 6 5 5 触点输入 ，AL G 4 4 2为 ／ 2路模拟量输 出模块 ，4 路 1 2位模拟量输入模块。该模块对牵引电机电流 信号以及两截割 电机进行采样和转换。可 以用在 变 频器 的输 出频率上，也可 以对采煤机 牵引速度 的模拟信号进行调节。内切速电机绕组 的温度检 测热敏 电阻 P t 一 1 0 0 ，是直 接连 接 R T D6 0 0温 度模 块 ，模块的 P t 一 1 0 0电阻随温度变化，相应 的数字 检 测点。采煤机 发送到变频器的控制 ／ 电源，增 加 牵引方 向以及摇臂电磁 阀，可以从十六点继 电 器 输 出模块 MD L 6 5 5发 射信 号。国外 DE C生 产 的，带有触摸屏功 能的液晶显示器 的智能 GP和 S N P的串行通信协 议模块 P L C电源的 R S ． 4 8 5兼 容 串行端 口。由于带内的 3 2 位显示和丰富的显示 R I S C C P U。控制软件，与 P L C接 口简便 ，P L C的 一 点点耗费时间来控制显示和存储空间。安装在 两端都采煤机身体两端和控制站远 离 P L C控制项 目在管制站内的第一个脉冲代码的控制信号，然 后发送到串行电气控制箱中。由于 P L C不能对信 号直接进行反应，只有先经端头操作 的第一个接 口单元 ，然后转换到 P L C。同样 ，从远程发射器 发送 1 5 4 MH z无线电遥控器无线接收单元接收的 信号 ，变频 ，解调 ，解码 过程，并到 P L C，然后 进行处理。 4 计算机数据信号处理单元 1 主要 用于交流变频控制 信号和数据处理 ， 显示的测试程 序所需要 的数据收集细胞。核心设 备是 1 工业控制计算机 包括输入和输出接线 板 ，模拟量 以及数字量 。可以对各种信号和数据 进行输入，并且可 以按照试验的要求，对信号和 数据进行显示和处理 ，并且具备 多种通讯能力的 接收能 力，也 可 以与 交流变频器 保持通讯联 系。 2 彩色打 印机 。能够对各种实验报告 以及 曲线、 图表做出打印。 3 信号调理变送 电路。将需要的 各种计算机 信号输入到计算机 ，在计算机输入信 号 ，数据调理到周边设备所需的形式。 2 煤机的控制和监视系统测试装置 本机主 要用于 测试采煤机 的控 制监控 系统， 由以下三个部分组成 1 监测信号模拟发生电路。 对采煤机截 割部或牵 引部等处的温度、压力的检 测信号做 出模拟 ，以取代原来的信号送至测试 中 心，信号可 以改变指定范围内的测量 ，并具备校 准能 力。 2 采煤 机操作信号模 拟发生 电路。采 煤机可以对各种信号发出模拟，比如传输 ，牵启， 左 ，右线等，可以对采煤机各部的动作进行控制， 并取代原先的信号。 3 采煤机显示电路 ，并对动 作做 出响应。可 以替代采煤机 在控制 中心做 出信 号输 出，以回应指示。 3 主要测试功能的综合测试台。 5 交流变频调速功能测试单位 1 交流变频调速功能测试单位，包括 1 实 现交流变频电机性能测试 ； 2 牵引电机 电气和机 械性能测试； 3 检查交流电机驱动器保护。 要测试项 目有 负载 测试 ，测试驱动器工作 性 能、对加 载 、温 升 、电压 波 动、速 度调 节 范 围等。 2 计算机信号数据处理以及单元功能显示 1 收购 A C逆变器单元发 出的测试信号、数 据 ，按照交流变频调速试点项 目的具体要求，对 数据进行处理 ，并打出相应的测试报告。 2 试点 项 目规范，通过菜单对计算机程序和 屏幕进行设 置，控制单元交流变频速度测试试点项 目。 3 检 测单位是连 接不同型号 的电牵 引采煤机 ，完成对 采煤机控制 中心，检测中心和电力牵引性能测试 部的完全控制。 第3 4 卷第6 期2 0 1 2 6 下 [ 1 3 1 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 注 lI5 化 3 采煤机控制单元功能测试监控系统 ，包括 1 采煤机的控制中心系统 ，采煤机故障检测 ； 2 采煤机具有调整控制中心以及对参数调整的功能 ； 3 采煤机监控中心信号，数据采集功能测试 ； 4 采煤机其他控制元件功能测试 ； 5 手控、应急手 控、终端站和远程控制功能测试； 6 电力牵引部 ， 切割机 ，泵站和电力性能测试 ； 7 串行通信采煤 机控制监测系统的性能测试。 6 系统软件结构 1 系统软件结构 由控制保护算法 以及显示控 制这两部分组成，可 以采用梯形 图形式编写组成 P L C控制软件 ，图形化编程构成显示器。 十 个模 拟 输入 ，一个 模拟 输 出和三 十 九个 数 字输 入和输 出组 成 了 P L C处理 的数 据。虽 然 P L C切换 的处 理能 力 是很 强 的，但 这 些 中小 型 P L C GE F u n a c 9 0 - 3 0 ，算术功 能弱 ，缺乏像 灵活 的 支持梯形 图编程地址 寻址指针 ，所以在这个模拟 系统的软件设计处理重点和难点。在设计 中，为 每个模拟输入设置一个单独的 F I F 0队列 ，以尽量 减 少长字操作 ，以满足 响应时 间的前提下减少耗 时 的滤波操作其他一些方法，提高十路模拟信 号 的数字滤 波效率。在 实际操作时 ，以 0 ．4 ms ／ 千步 的 P L C内完成 1 0道 8 2 0 ms的话均值滤波的深度 ， 比平均滤波算法快约 3 O ％ 的重复积 累。此外 ，通 过设置一个大数组使用处理数据 的下标操作符的 方法 ，这样的方法不仅可以提 高处理效率 ，并具 有灵活 性 。 在 P L C程序里 ，一般采用 了子程序对结构进 行设 计，它具有一个明确的方案结构，维修方便 的优势，可 以节省宝贵 的内存资源 P L C。P L C控 制程序，由十个子程序和一个主要程序组 成，其 中，每个子程序可 以独立于具体的函数 ，并且子 程序能 明确接 口之 间的算法和数 据之 间的关 系。 例如 ，在模 拟的预处 理时 ，编制专 门的子程 序， 移位操作使用 F I F 0队列组成 ，数字滤波 以模拟数 据方式输入。 2 前面对提高系统的抗干扰性 以及可靠性能 进行描述 ，因为交流电牵引电气控 制系统 的工作 环境复杂 。在 P L C的采矿 电气控制 系统的核心设 计 ，以确保 该 系统能 在这样 的环境下可靠 运行 ， 由此想出了以下办法 [ 1 3 2 ] 第3 4 卷第6 期2 0 1 2 6 下 1 在 P L C中已安装防震动 的加 固措施 ，封 闭湿度和灰尘的电子控制系统 ； 2 采用宽输入电压范 围内控制电源开关 ，保 持发电能力的 4 O ％至 5 O ％ ； 3 在电路设计部分 ，为了确保设备的耐压能 力以及额定功率超过两倍以上，最大限度地使用 工业级元件 ； 4 控制系统装备在屏蔽腔内，全部使用双绞 线 以及屏蔽 电缆作为控制电缆。对 系统使用严密 的隔离手段 ；对输 入输 出 口用光耦和继 电器进行 隔离； 5 对必须通过长距离传输 的电信号，尽可能 地对有用信号 的幅度进行放大，以提高信号噪声 比，信号接收电路以降低输 入阻抗，并使用带通 滤 波器 ，和许多其 他的综合性 措施，以减少信号 电路的噪声干扰的频率和其他电气设备 ； 6 在收集电流和温度信号控制软件，该软件 的过滤器可排除所有 “ 离群值” ，通过分析信号 的 过渡 系统 的经验正常参数相结合，传感器故障诊 断，减少保护误动造成停电。 7 结束语 1 9 9 8年 7月，晋城矿务局率 先使用 了装备 有 P L C电控系统 的第一 台交流 电牵引采煤机。这 台 电牵引采煤机在井下使用一年后结果表明，这种 电控系统，不仅能起到基本控制的作用，还有保 护功能 ，在 准确性、可靠性 以及 响应速度 方面 ， 都可以比其 它的电控 系统提供更高要求。它具 有 L C D宽大屏幕 的显示器，可 以检测到 系统 故障 ， 可以跟踪记录工作状 态，在操作 的时候可 以适 时 提示 ，毫无疑问地受到用户的喜好。 参考文献 【 1 】王永华 ． 现代电气控制及P L C应用技术【 M] ． 航 空航 天大 学 出版社 ， 1 9 9 9 ． 【 2 】周美兰， 周封 ， 忘岳宇． P L C电气控制与组态设计[ C 】 ． 出 版社 ， 2 0 0 1 ． [ 3 ]谢 子殿 ， 沈显庆 ， 王 蕴恒 ． 电牵引采煤 机 电气控制 技术 【 M】 ． 东南大学出版社， 2 0 1 1 ． [ 4 】王 守彪 ． 综合机械化采煤 机械【 M】 ． 中国劳动社会保障 出 版社 ， 2 0 0 6 ． 【 5 】王国法． 高效综合机械化采煤成套装备技术【 M] ． 中国矿 、 I 大 学 出 版社 ， 2 0 0 8 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m