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