PLC在交流电牵引采煤机电气控制系统中的应用

刘冬梅

（荆楚理工学院 电子信息工程学院，荆门 448000）

1 PLC的特点

1）PLC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。PLC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PID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PLC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PLC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

AC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；

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GEFanuc90-30PLC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PLC硬件配置表

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，32点数字到PLC的输入模块MDL655（触点输入），ALG442为/2路模拟量输出模块，4路12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Pt-100，是直接连接RTD600温度模块，模块的Pt-100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MDL655发射信号。国外DEC生产的，带有触摸屏功能的液晶显示器的智能GP和SNP的串行通信协议模块PLC电源的RS-485兼容串行端口。由于带内的32位显示和丰富的显示RISCCPU。控制软件，与PLC接口简便，PLC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PLC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PLC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PLC。同样，从远程发射器发送154MHz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PLC，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AC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。

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PLC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PLC处理的数据。虽然PLC切换的处理能力是很强的，但这些中小型PLCGEFunac90-30，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FIF0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0.4ms/千步的PLC内完成10道820ms的话均值滤波的深度，比平均滤波算法快约30%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PLC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PLC。PLC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FIF0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PLC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）在PLC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40%至50%；

（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

1998年7月，晋城矿务局率先使用了装备有PLC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LCD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。

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