PLC技术在煤矿设备自动控制系统中的应用研究

孙 灏

（中煤科工集团常州研究院有限公司，江苏 常州213000）

1 PLC的主要构成

PLC即可编程序控制器，其具有适用性强、应用方便、抗干扰能力强、编程简单、可靠性强等优势，目前在工业自动化控制领域中的地位不可取代。按照不同的结构可以将PLC分为两种，一种是固定式PLC，其主要构成包括CPU、I/O模块、显示面板、内存、电源等部分，这些模块构成一个整体，不可拆卸；另一种是组合式PLC，其除了具备与固定式PLC相同的组成模块外，还包括底板或机架，组合式PLC的每个模块按照一定规则组合配置在一起。实际应用中根据不同的需求选择不同结构的PLC。

在整个PLC中，CPU是核心部分，其包括运算器、控制器、寄存器、外围芯片、总线接口、相关电路以及数据、控制及状态总线，其主要作用是接收并存储用户设计好的程序及数据，对内部电路及电源的工作状态做出及时诊断，且编程过程中一旦出现语法错误也可以及时分析出来。CPU读取存储器中的指令，做出解析后产生对应的控制信号，实现对相关电路的控制，其中运算器的主要作用是在控制器的指挥下进行数据计算或逻辑运算，寄存器除了存储运算的中间结果也会参与运算。在PLC系统中CPU的内存容量、速度决定了PLC的工作效率。I/O模块是PLC与电气回路的接口，其包括开关量输入、开关量输出、模拟量输入、模拟量输出等。I/O模块中的输入暂存器反映输入信号的状态，输出点则反映输出锁存器的状态，电信号被输入模块转换为数字信号传输至PLC系统。I/O模块的数量及规格可根据CPU的基本配置能力灵活设置，不超出最大底板或机架槽数限制即可。电源模块的主要作用是为PLC各模块集成电路提供工作电源，并为输入电路提供24V工作电源。底板或机架的主要作用是使各模块连接在一起构成一个整体，实现各模块的联系，保证CPU可以访问底板上所有模块。PLC通信主要采用多点接口数据通信或工业以太网等实现联网，真正意义上实现分散集中控制。

2 PLC在煤矿设备自动控制系统中的具体应用

煤矿设备自动控制系统包括地面控制中心及井下无线传感器网络两大部分，利用Zig Bee等无线通信技术实现PLC与地面控制中心的连接，整个自动控制系统功能包括井下环境监测、矿工考勤、矿工定位、通风系统控制等。其中井下环境监测的主要作用是通过终端设备中的传感器监测井下瓦斯浓度、一氧化碳浓度、温度、湿度等环境参数；考勤系统的主要功能是实现矿工的考勤登记，矿工定位即确定矿工在矿井中的大概位置；通风系统的主要作用则是为矿井内部提供充足的新鲜空气，以保证井下作业的安全性、适宜性。下文主要介绍PLC技术在煤矿通风控制系统中的应用。

2.1 系统的主要构成

矿井通风系统的主要作用是向井下输送新鲜空气，排出有毒的污浊空气，为井下提供一个安全的生产环境。本研究提出的基于PLC的煤矿井下控制系统主要构成包括主控制器PLC、两组互相独立的执行机构、报警装置及相关的保护装置等。无线传感器网络采集矿井内部的瓦斯浓度、温度、湿度等环境参数，并将采集到的数据传送至PLC中，PLC程序会事先设定好井下安全生产的环境参数阈值，当现场数据高于系统设定的阈值就会输出对应的控制信号，报警电路及执行机构就会做出相应的反应，以保证井下生产的环境安全。整个通风控制系统需要实现数据采集、数据处理、风机的启动与停车、工作状态的转换、通风系统故障报警及信息反馈等诸多功能。具体应用过程中系统会先进行初始化处理，将所有辅助寄存器中存储的数据归零，系统运行过程中一旦井下环境中瓦斯浓度、一氧化碳浓度等超过系统设计的阈值，或者风机系统中电动机定子及风机轴承等部件温度超过系统阈值，系统均会自动发出报警。操作过程中包括手动操作与自动操作两种模式，手动模式下系统可以根据实际需求设定控制参数，因此主要在设备安装及调试阶段采用手动模式，对电动机、风机进行逐一单台控制；系统处于运行状态下风机系统中电动机定子温度或风机轴承温度过高时，系统也会自动切换至手动模式。系统正常运行状态下通常都采用自动控制模式，系统根据无线传感器网络传输过来的数据决定采用单机运行或者双机运行，上位程序读取到PLC寄存器中的数据，由上位界面直接控制PLC系统的启停。一旦井下环境参数大于系统设定阈值，系统会自动启动另外一台风机加大风量供应，并给出对应的提示，待井下环境参数恢复正常后，系统再自动切换为单机运行状态。

2.2 PLC通风控制系统硬件设计

根据矿井通风量、所需总推力选择电动机及风格的型号、规格，本研究所提出的基于PLC的通风控制系统应用于小煤矿的生产，煤矿年产量不超过90万吨，因此在选择电动机、风机时首先考虑其经济性与安全性。本研究所用的风机转速为每分钟980r，风量为每秒15.7-47.7m3，风压在355-1301Pa；电动机的额定功率为90kW，额定电压为380V，额定电流为166A。风机采用电动机与叶轮直联的结构，简单便于运行与维护，电机外设置有全封闭型密闭散热罩及气压平衡管，可以保证电机运行的安全性与可靠性。本设计采用两组互相独立的风机系统，以保证矿井生产的安全性。每套风机系统均带有电机定子传感器、风机轴温传感器，用以检测风机运行过程中的温度参数，能够实时检测出电机是否存在故障问题，每套风机系统均可单独操作。由于本研究是针对小型煤矿设计的自动控制系统，因此采用两个同时掘进的作业面为基础；相距掘进面3-5m处为瓦斯、一氧化碳冒出区的混合区，距掘进面10-20m为瓦斯及一氧化碳等有毒气体的聚集区，因此该区域要设置两个移动无线通信终端设备实时采集环境参数。根据PLC外部I/O数量决定PLC的类型，PLC内部中间包含了上百个元件，本研究选择的是FX2N-48MR系统PLC，其功能强、速度快，扩展I/O可达256个，能够实现多种特殊功能的扩展，可以很好地满足本研究的设计需求。

2.3 PLC控制系统的主电路设计

上文中提到本研究采用相互独立的两组风机操作系统，一组用于正常工作，另外一组用于检修备用，每组风机系统包括两套风机系统，因此PLC控制接触器需要控制四套风机系统的操作。风机系统中三相异步电动机额定功率为90kW，在启动阶段需要选择合理的电动机降压启动方式，才能保证电动机的安全性。一般情况下，三相异步电动机降压启动控制电路主要为4种，即串电阻降压启动控制、串自耦变压器降压启动控制、Y-Δ降压启动控制及延边Δ降压启动控制，在轻载条件下YΔ降压启动控制电路比较适用，因此本研究采用该控制电路。电动机启动时电动机定子绕组接成Y接法降压启动，运行过程中电动机定子绕组接成Δ接法全压行，由于采用的是封闭式负载风机，因此可以直接采用机械能耗衰减制动。

根据数量不同PLC输入电路分为直流输入与交流输入两类，本研究电动机采用的是直流输入电路中漏型输入电路；PLC输出电路包括继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出等，本研究出于经济性考虑采用继电器输出电路。该PLC具有24个输入端口、23个输出端口，所有输入端口共用一个COM端，输出端口每4个共用一个COM端，共6个COM端。每个端口均有对应的映射关系及端口作用说明。程序运行过程中不能同时执行手动控制程序与自动控制程序，因此需要设置一个选择手动程序及自动程序的开关以切换手动模式与自动模式。PLC负载的驱动采用220V、50Hz交流电电源，通过其内部配置的专用开关式稳压电源将220V交流电转换为PLC需要的工作电源，并为输入端口外部输入元件提供24V直流电电源。

2.4 PLC通风控制系统软件设计

本研究采用GX Developer编程软件进行软件系统的设计，其标准化程序设计如下：标号编程，根据标示制作成标准程序，能够依据汇编作为实际程序来使用。功能块的主要作用是提高顺序程序的开发效率，顺序程序回路块在开发顺序程序时需要反复使用，通过功能块可以将其零件化处理，不仅提高了顺序程序开发的简便性，而且能够避免将其运用于别的顺序程序时顺序输入错误。在任务回路模式上加上宏定义名登录文件，输入简单的命令即可读出登录过的回路模式，能够更加灵活地应用变更软元件。本研究采用的无线传感器网络为Zig Bee技术，Zig Bee协调器通过接口向PLC及PC机中传送采集到的参数，Zig Bee协调器外围设备中设置两个RS-232口向PLC及PC机中传送数据。系统采用3.3V供电，需要使用SP3223电平转换器进行转换。Zig Bee主芯片提供USART0、USART1两个功能相同的串行通信接口，URAT模式中接口使用2线，也可采用包含有RXD、TXD、RTS、CTS的4线。Zig Bee协调器与PLC之间采用RS-232通信标准，通过SP3223E芯片完成Zig Bee协调器无线传输模块扩展板的RS-232串口设计，需要注意一点，FX2N串口的通信标准为RS-422，因此需要通过转换器将RS-422转换为RS-232。Zig Bee协调器在与PLC通信过程中为主从关系，初始命令由Zig Bee协调器发出根据指令做出响应，上位机与PLC进行通信应答测试，整个过程PLC无论是读数据还是写数据都是由Zig Bee协调器发出响应，PLC始终处于被动响应的地位。PLC与PC端的通信采用的同样是RS-422转换为RS-232的编程电缆形式，不过由于PLC与Zig Bee协调器采用的是编程电缆，需要通过FX2N-485-BD模块扩展通信接口。采用JaRa2102转换器将RS-485标准信号转换为PC机串行通信的RS-232标准信号，并在实际过程中采用光线隔离技术。

3 结束语

总之，作为我国的一项支柱产业，煤炭行业经过数十年的发展，其生产过程中涉及到的各种设备也越来越先进，煤矿生产中所采用的自动化设备也越来越多，大大提高了煤矿生产的效率。但是与其他行业相比，煤矿行业具有显著的特殊性，生产人员要深入地下进行生产操作及设备的维护，使得生产人员的安全性受到很大威胁。因此在煤矿设备自动控制中引进PLC技术，实现了可靠、先进的自动化控制，该系统能够对井下生产环境进行实时监控，并通过设备的自动控制提高生产效率，提高了煤矿生产的安全性及有效性。相信随着科学技术的不断进步，PLC的性能会得到不断地优化，在煤矿生产中的应用将会越来越广泛。