基于PLC 控制器的煤矿卡轨车控制系统研究

霍志峰

（山西新元煤炭有限责任公司， 山西 晋中 045300）

0 引言

煤矿开采过程中卡轨车是重要的辅助运输装备，其性能好坏会在一定程度上影响煤矿开采效率[1]。近几年，随着我国煤矿领域朝着机械化、自动化等方向发展，煤矿开采效率有了大幅度提升，矿井中的运输系统任务日趋繁重[2]。矿井中比较传统的蓄电池机车以及绞车由于运输效率较低，难以满足辅助运输系统的实际要求。此时配套先进控制系统的煤矿卡轨车的优势逐渐显现，在矿井中的应用越来越广泛[3]。基于先进的PLC 控制器设计研究了煤矿卡轨车控制系统，将其应用到工程实践中，取得了良好的效果。对于提升卡轨车运行可靠性，保障煤矿运输效率具有重要的工程实践意义。

1 卡轨车系统概述

以KSD140J 型卡轨车为对象进行研究，利用PLC 控制器和变频器设计了控制系统。该型号卡轨车的最大牵引力为140 kN，最长运输距离为2 200 m，牵引速度和爬坡能力分别为0～3 m/s 和≤30°，主绳轮和尾绳轮的直径分别为1 900 mm 和1 640 mm。设备中使用的电机主要有三个，分别为主电机、风冷电机和泵站电机，其中主电机的功率为280 kW，另外两台电机的功率均为3 kW，工作时的电压均为660 V。为了对卡轨车的运行速度进行精确控制，需要使用变频器配合PLC 控制器对设备进行精准控制[4]。为了保障变频器的运行稳定性，要求具备有长时间过载运行的能力。

2 卡轨车控制系统主要硬件

2.1 PLC 控制器组成

PLC 控制器是整个控制系统中的核心构成部分，其性能好坏会对控制系统的运行稳定性和可靠性产生直接影响[5]。在分析不同类型PLC 控制器性能及价格的基础上，选用的是西门子公司研制生产的S7-300 型PLC 控制器，该型号控制器在工业领域具有非常广泛的应用，且应用效果良好，如图1 所示为S7-300 型PLC 控制器的主要构成模块。控制系统中的PLC 控制器采用冗余设计，即设置一个主用控制器，一个备用控制器。

由图1 可知，基于PLC 控制器的控制系统采用模块化思路设计，整个控制器由不同的模块构成。其中CPU 模块型号为6ES7315-2EH14-0AB0，具有丰富的接口，包括两个DP 接口和两个以太网接口，需要24 V DC电源进行供电。电源模块型号为6ES7307-1BA01-0AA0，可以为包括CPU 在内的各模块提供电源服务，输出的电压和电流分别为24 V 和2 A。数字量输入和输出模块的型号依次为6ES7321-1BH02-0AA0 和6ES7322-1HH01-0AA0，可以完成16 点数字量的输入或输出，工作时电压为24 V，前者主要是对各开关量信号进行采集，后者主要是对各开关闸阀进行驱动。模拟量输入和输出模块的型号分别为6ES7321-7NF00-0AB0 和6ES7322-5HB01-0AB0，前者的作用是对各类传感器的信号进行采集，后者的作用是输出信号对变频器进行控制。

2.2 外围主要信号器件组成

1）光耦隔离电路板。隔离电路板的作用是对本安回路和非本安回路进行有效隔离，避免两者之间相互影响，对系统的运行稳定性造成不良影响。比如操作台下达的控制指令需要通过隔离电路板后再输入到PLC 控制器中，图2 所示为光耦隔离电路板引脚接线原理图。

图2 光耦隔离电路板引脚接线原理图

2）温度变送器。选用的温度变送器型号为PT100，其原理是利用热敏电阻将电动机中的温度变化转变成为电阻变化，再通过电路转变成为标准的模拟量电压信号。模拟量信号需要利用A/D 转换模块转换成数字量信号后才能输入到PLC 控制器。

3）配电器。选用的型号为DM355，作用是将一路电流信号经过转换后输出两路一样的电流信号。本系统中使用了两套PLC 控制器，所以传感器的检测结果和开关信号需要转换成两路信号，分别输入到两个PLC 控制器中。

4）增量型轴编码器。选用的编码器型号为ZKT-15A-51.2B-G24C，需要利用24 V DC 电压对其进行供电，其作用是对电机的输出转速进行测量。

5）频率量输入隔离栅。选用的设备型号为GS8054-EX，作用是对检测到的脉冲信号进行隔离，避免对系统稳定性造成影响。

2.3 隔爆变频器

结合实际情况选用的变频器型号为D7260，属于矿用隔爆安全型变频器，主要为ABB 公司生产的产品，能满足矿井复杂的工况环境。变频器可以对启动器的输出信号进行采集，同时接受PLC 控制器的控制，对输出电压频率进行调整，从而改变电机的输出转速。另外变频器还可以对相关信号进行返回，比如变频器自身的运行状态、故障信号等，输入到PLC 控制器中。

3 卡轨车控制系统的软件程序设计

3.1 系统的总体工作流程

图3 所示为基于两个PLC 控制器的卡轨车控制系统总体工作流程。如图3 可知，系统开始工作后，先对工作模式进行选择，有两种模式，分别为工作状态和检修状态。进入工作状态后需要选择手动控制模式和自动控制模式。不管是何种控制模式，都需要在1号和2 号PLC 控制器中选择一个对卡轨车进行控制运行。两个PLC 控制器之间可实现数据交互，当其中一个控制器出现故障时，另一个控制器可立即投入使用，从而保障控制系统运行的可靠性。

图3 控制系统的总体工作流程

卡轨车控制系统启动运行时，需要控制相关设备依次启动，启动的顺序依次为泵站、安全闸、变频器、风冷电机、工作闸、主电机等，启动过程中只有当前面设备正常运行后，后续设备才能开启。当卡轨车需要停机处理时，控制系统同样需要对上述设备依次进行停机处理，顺序正好与上述相反。

3.2 系统运行主界面设计

图4 所示为煤矿卡轨车控制系统运行时的主界面图。该界面不仅可以对卡轨车运行时的关键状态参数进行显示，比如可以显示主电机和减速机的温度、设备运行速度和主电机转速等数据，还可以对卡轨车的运行情况进行控制，比如控制卡轨车的前进和后退，切换1 号和2 号PLC 控制器的运行情况等。

图4 卡轨车控制系统运行主界面

4 控制系统的应用效果分析

将设计的基于S7-300 型PLC 控制器的控制系统安装到煤矿卡轨车工程实践中，现场对控制系统的各项功能进行调试后正式投入使用。调试过程中发现控制系统中设置的两套PLC 控制器能够正常切换，通过控制器的冗余设计，能极大提升控制系统运行的可靠性。目前，控制系统在卡轨车中的运行时间超过半年，经现场技术人员反馈，控制系统整体运行良好，能对卡轨车的运行过程进行稳定和准确地控制。控制系统的成功投入应用，使卡轨车的运行效率提升了15%以上，设备故障率降低了10%以上，为煤矿企业创造了良好的经济效益。

5 结语

以煤矿中使用的卡轨车为研究对象，利用PLC控制器设计了卡轨车的控制系统，将其应用到工程实践中，效果良好。所得结论主要有：设计的控制系统以PLC 控制器为核心，且采用冗余设计，通过使用两套PLC 控制器来提升控制系统运行的可靠性；系统利用传感器和开关对设备的运行状态进行检测，同时使用隔离电路板和隔离栅等装置对信号进行隔离，提升系统运行的稳定性；系统在启动和停机过程中，按照顺序依次对各个装置进行启动和停机处理；将设计的控制系统部署到煤矿工程实践中，经现场运行后发现整体性能良好，为企业创造了良好的经济效益。