PLC技术在煤矿机电控制系统中的应用探析

叶智锋

摘 要：煤矿机电系统作为煤矿生产的重要组成部分，对保证煤矿生产安全、提升煤矿生产效率有着较为重要的作用。而通过将PLC技术应用到煤矿机电控制系统中，对于提升整个控制系统的自动化与智能化水平有着非常重要的意义。本文从PLC控制系统工作原理分析入手，重点剖析了PLC技术在煤矿机电控制系统中的具体应用，并对PLC技术在煤矿机电控制系统中的应用进行了测试。

关键词：PLC技术;煤矿机电控制系统;应用;探析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.070

0 引言

PLC技术的本质为一个可被执行的编程存储器，在复杂逻辑执行与运算中能够取得较好应用效果，通过数字信息、执行方式及输入输出等，实现设备的自动化控制。大量实践表明，在煤矿机电控制系统中，通过PLC技术替代原有继电控制技术，能够使整个系统更为准确、快捷、高效。

1 PLC控制系统工作原理

在煤矿机电控制系统中应用PLC技术时，主要利用的是自动控制的方式实现对系统任务的自动处理，整个过程主要包含有3个环节，具体为：输出刷新环节、程序执行环节及采样输入环节。

1.1 采样输入环节

具体原理为：通过CPU扫描仪对工作面进行全面扫描，同时，将扫描得到的数据进行及时记录并将其存储到I/O存储映象区内，之后采集得到的数据会被随机传送到各个独立的处理运行部位，在该环节中得到的各类数据是相互独立的，后续阶段操作不会影响到该阶段数据的独立性。

1.2 程序执行环节

在执行的过程中，PLC技术按照梯形图流程完成对应的扫描，在进行扫描过程中，具体的计算方式是根据既定的逻辑进行，并最后将计算得到的信息收录到计算机中。确保该环节准确无误的关键是保证各类数据的一致性，防止进入到系统中的数据有错误指令。

1.3 输出刷新环节

该环节主要是对输出的数据进行执行，在煤矿机电控制系统中，通常情况下是通过上述信息实现对整个电路系统的有效调整，最终完成对机电设备的调控。

PLC控制系统的具体工作原理见图1所示。

2 PLC技术在煤矿机电控制系统中的具体应用

2.1 总体方案设计

在煤矿机电控制系统中应用PLC技术时，最为核心的部位是电控系统，而在电控系统中变频调速系统和核心处理器是系统的核心环节。本文在分析时选择使用PLC核心处理器为：S7-300。整个机电控制系统主要包含有：操作台触摸屏、低压配电柜、制动电阻柜、变频电阻柜及PLC控制箱。整体结构见图2所示。

其中各个组件的具体功能为：

（1）PLC控制箱功能：设计电控系统核心包含两套PLC，功能分别为：对电控系统运行进行监控;自动或者手动完成机电控制系统的提升、接受指示信号、安全闸、速度给定工作闸及闭锁等功能。

（2）变频电阻柜功能：主要是对整个控制系统进行速度控制，同时具有能量反馈功能。

（3）制动电阻柜功能：主要是整个控制系统的运动部件的制动，例如，对煤矿提升机进行减速或者制动。

（4）低压配电柜功能：主要是对控制系统中各个部件进行供电。

（5）操作台触摸屏功能：主要功能是显示相关信号灯、通信、指示灯及操作按钮等。

2.2 硬件设计

PLC技术在煤矿机电控制系统中的硬件主要包含有：配电系统硬件、变频调速装置、PLC控制系统等，具体设计如下：

（1）硬件电路设计。本次设计选择使用西门子S7-300硬件模块作为电源模块、编程设备、通信模块、接口模块、CPU模块的主要组成部分，具体的电路结构框架图见图3所示。在CPU模块中主要包含的是存储器、微处理器，主要作用是采集机电控制系统的状态信息，同时，执行电控系统的程序指令，对故障点也能够进行智能监测，电控系统中的数据和程序也存储到其中。接口模块主要功能是完成数据交互;在通信模块中，主要功能是完成I/O接口、上位机、PLC等设备之间信息的传递;本次在进行编程时，选择的编程设备为：STEP7，在该设备中可实现对不同文本程序的高效编辑;电源模块的主要功能是进行设备进行供电，将外界输入的220V交流电压，转变为PLC控制系统所需的5V和24V电压。

（2）双PLC控制系统设计。本次设计选择采用双PLC控制系统，这对于提升系统的安全性与可靠性有着非常重要的作用。具体设计模块有：1）对I/O接口进行分配设计，I/O接口信息包含有模拟信号、开关信号两个部分，开关信号就是数字信号，具体信号数量为：132、24，备用的数量是16、31;2）安全回路设计，本次安全回路设计包含有2套安全回路，分布为：以PLC软件程序为基础的安全回路;以继电器开关为基础的串联硬件安全回路;3）电气联锁，这主要以煤矿安全需求出发，设计的一系列机电联锁。

（3）变频调速装置设计。煤矿机电控制性能优劣受到变频调速装置设计的影响较大。在本次设计时，选择使用以交直交为基础的变频调速方案，具体型号为西门子SM150系列电压源型交流交变变频器，其主要优势是，系统结构更为简单，工作效率相对更高，同时，承受的电压更大，实际容量也更大。此外，本次为了提升动态响应效果与调节精度，在对拓扑结构进行设计时，选择使用二极管钳位三电平。

2.3 控制软件系统设计

本次设计的软件控制系統全部在WINCC与STEP7上完成，在总程序中包含有较多的子程序，所有子程序选择单独编写的方式进行，具体流程见图4所示。

（1）辅助启动设计。在煤矿机电控制系统中，动力装置、油泵及电机等是联锁关系，在系统工作之前，这些辅助系统首先得进行启动，主要作用是对机电控制系统中的动力制动装置进行控制。

（2）系统启动设计。在准备程序完成之后，会对系统是否启动进行判定，若符合了启动条件，则联锁手柄、控制手柄等会调整到启动位置，然后系统会立即启动。

（3）安全回路设计。在进行安全回路设计时，主要是对已经设计到系统中的软件、硬件的安全进行保护控制，若出现了提升机故障的情况，则会启动硬件保护，发生倒闸停车。若软件出现了故障，则会出现闭锁报警。同时，在系统中设计故障种类存储记忆功能，若故障排除，则安全制动会被解除，恢复正常使用。

3 结束语

上述系统设计完成之后，为了对PLC技术具体的应用效果进行检验，以上述硬件与软件为基础，对整个系统的运行情况进行了测试，从测试结果中看出，整个机电控制系统运行较为平稳，在系统启动与使用的过程中总体的冲击电流较小，且可以较为平稳的达到运行的状态，较好克服了在传统机电控制模式中，受到井下瓦斯、煤尘等因素的负面影响，总体的抗干扰能力与安全性相对于传统方式均实现了较大的提升，此外，系统包含有较多子系统，方便系统进行进一步升级，若增加相关功能，仅需在这些系统的基础上进行子单元扩充即可。

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作者简介：叶智锋（1976-），男，福建永春人，本科，助理工程师，研究方向：煤矿机电技术与应用。