劉冬梅

（荊楚理工學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，荊門 448000）

1 PLC的特點(diǎn)

1）PLC是一個可編程邏輯控制器。它對一類可編程的存儲器進(jìn)行采用，在其內(nèi)部存儲程序，邏輯運(yùn)算執(zhí)行方面，計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等面向用戶發(fā)出的指令，并通過數(shù)字或模擬輸入/輸出方面，對各種類型的機(jī)械以及生產(chǎn)過程進(jìn)行控制。PLC具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)構(gòu)成靈活，擴(kuò)展容易，以開關(guān)量控制為其特長；也能進(jìn)行連續(xù)過程的PID回路控制；并能與上位機(jī)構(gòu)成復(fù)雜的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的綜合自動化。

（2）使用方便，編程簡單，采用簡明的梯形圖、邏輯圖或語句表等編程語言，而無需計(jì)算機(jī)知識，因此系統(tǒng)開發(fā)周期短，現(xiàn)場調(diào)試容易。另外，可在線修改程序，改變控制方案而不拆動硬件。

（3）能適應(yīng)各種惡劣的運(yùn)行環(huán)境，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性強(qiáng)，遠(yuǎn)高于其他各種機(jī)型。

2）隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，世界各個采煤國越來越多以電牽引采煤機(jī)作為主導(dǎo)機(jī)型。為了滿足高速工作面和提高效率，采煤機(jī)必須大大提高牽引速度，牽引力也應(yīng)相應(yīng)增加。交流電牽引采煤機(jī)適用于現(xiàn)代化礦井中，在礦井作業(yè)時既可保證高產(chǎn)生產(chǎn)，又能提高效率。先進(jìn)的電子設(shè)備，可靠的控制系統(tǒng)，以確保整體性能和采煤機(jī)提高其可靠性具有極其重要的影響。因?yàn)椴擅簷C(jī)有著復(fù)雜及惡劣的工作環(huán)境，會產(chǎn)生比如較強(qiáng)的電磁干擾、工作時會有強(qiáng)烈的振動、電源不穩(wěn)定等等，高功率的變頻器，并有大量的電力污染和灰塵，濕度和其他許多嚴(yán)重的不利因素，這些都對采煤機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出更高的要求。MG在中國的系列在主板上的逆變器型交流牽引采煤機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，充分考慮到可編程控制器PLC被充分考慮，其硬件和軟件技術(shù)是日趨完善的，并具備很強(qiáng)的抗干擾，配置靈活性和高可靠性，更適合在惡劣環(huán)境下使用。因此使用PLC電氣控制系統(tǒng)的核心組件，再加上自主開發(fā)的專有接口，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)控制系統(tǒng)，監(jiān)測，保護(hù)和展示。

2 電子控制系統(tǒng)控制

AC逆變器板式牽引采煤機(jī)，電子控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了操作，具有控制和保護(hù)功能：

1）根據(jù)開采過程中，煤炭開采作業(yè)需要的驅(qū)動器來控制主機(jī)的啟動和停止，速度控制牽引動力傳輸/電源；

2）為了便于司機(jī)對采煤機(jī)做到靈活使用，設(shè)有機(jī)身末端控制器、機(jī)身中央控制箱面板以及無線電遙控操作，這三種方法可以靈活應(yīng)用；

3）恒功率電機(jī)和重型自動反向自動牽引控制方面的實(shí)現(xiàn)；

4）切割和牽引電機(jī)過流和溫度保護(hù)，包括：四臺電機(jī)反時限電流繼電器的保護(hù)，以保護(hù)電機(jī)塊；高溫作業(yè)時，對保護(hù)整定值進(jìn)行自動調(diào)整；電機(jī)過熱時會進(jìn)行報(bào)警，并且在斷電的時候可以起到保護(hù)作用；

5）對搖臂進(jìn)行升或降；

6）用中文顯示運(yùn)行參數(shù)，自動鎖定故障以及參數(shù)記憶。

3 系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置

為了對以上資料進(jìn)行說明，本文采用了美國通用電氣公司GEFanuc90-30PLC當(dāng)作控制系統(tǒng)的主要部件。具體硬件結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 采煤機(jī)電控系統(tǒng)PLC硬件配置表

在這個系統(tǒng)中，從采煤機(jī)作戰(zhàn)指揮中的控制面板中，從無線電遙控信號接收器和水信號通過布線故障邏輯處理的第一個信號結(jié)束后變換處理操作后，32點(diǎn)數(shù)字到PLC的輸入模塊MDL655（觸點(diǎn)輸入），ALG442為/2路模擬量輸出模塊，4路12位模擬量輸入模塊。該模塊對牽引電機(jī)電流信號以及兩截割電機(jī)進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換?？梢杂迷谧冾l器的輸出頻率上，也可以對采煤機(jī)牽引速度的模擬信號進(jìn)行調(diào)節(jié)。內(nèi)切速電機(jī)繞組的溫度檢測熱敏電阻Pt-100，是直接連接RTD600溫度模塊，模塊的Pt-100電阻隨溫度變化，相應(yīng)的數(shù)字檢測點(diǎn)。采煤機(jī)發(fā)送到變頻器的控制/電源，增加牽引方向以及搖臂電磁閥，可以從十六點(diǎn)繼電器輸出模塊MDL655發(fā)射信號。國外DEC生產(chǎn)的，帶有觸摸屏功能的液晶顯示器的智能GP和SNP的串行通信協(xié)議模塊PLC電源的RS-485兼容串行端口。由于帶內(nèi)的32位顯示和豐富的顯示RISCCPU?？刂栖浖?，與PLC接口簡便，PLC的一點(diǎn)點(diǎn)耗費(fèi)時間來控制顯示和存儲空間。安裝在兩端都采煤機(jī)身體兩端和控制站遠(yuǎn)離PLC控制項(xiàng)目在管制站內(nèi)的第一個脈沖代碼的控制信號，然后發(fā)送到串行電氣控制箱中。由于PLC不能對信號直接進(jìn)行反應(yīng)，只有先經(jīng)端頭操作的第一個接口單元，然后轉(zhuǎn)換到PLC。同樣，從遠(yuǎn)程發(fā)射器發(fā)送154MHz無線電遙控器無線接收單元接收的信號，變頻，解調(diào)，解碼過程，并到PLC，然后進(jìn)行處理。

4 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)信號處理單元

1）主要用于交流變頻控制信號和數(shù)據(jù)處理，顯示的測試程序所需要的數(shù)據(jù)收集細(xì)胞。核心設(shè)備是：（1）工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（包括輸入和輸出接線板，模擬量以及數(shù)字量）?？梢詫Ω鞣N信號和數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入，并且可以按照試驗(yàn)的要求，對信號和數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和處理，并且具備多種通訊能力的接收能力，也可以與交流變頻器保持通訊聯(lián)系。（2）彩色打印機(jī)。能夠?qū)Ω鞣N實(shí)驗(yàn)報(bào)告以及曲線、圖表做出打印。（3）信號調(diào)理變送電路。將需要的各種計(jì)算機(jī)信號輸入到計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)輸入信號，數(shù)據(jù)調(diào)理到周邊設(shè)備所需的形式。

2）煤機(jī)的控制和監(jiān)視系統(tǒng)測試裝置

本機(jī)主要用于測試采煤機(jī)的控制監(jiān)控系統(tǒng)，由以下三個部分組成：（1）監(jiān)測信號模擬發(fā)生電路。對采煤機(jī)截割部或牽引部等處的溫度、壓力的檢測信號做出模擬，以取代原來的信號送至測試中心，信號可以改變指定范圍內(nèi)的測量，并具備校準(zhǔn)能力。（2）采煤機(jī)操作信號模擬發(fā)生電路。采煤機(jī)可以對各種信號發(fā)出模擬，比如傳輸，牽啟，左，右線等，可以對采煤機(jī)各部的動作進(jìn)行控制，并取代原先的信號。（3）采煤機(jī)顯示電路，并對動作做出響應(yīng)?？梢蕴娲擅簷C(jī)在控制中心做出信號輸出，以回應(yīng)指示。

3）主要測試功能的綜合測試臺。

5 交流變頻調(diào)速功能測試單位

1）交流變頻調(diào)速功能測試單位，包括：（1）實(shí)現(xiàn)交流變頻電機(jī)性能測試；（2）牽引電機(jī)電氣和機(jī)械性能測試；（3）檢查交流電機(jī)驅(qū)動器保護(hù)。

要測試項(xiàng)目有：負(fù)載測試，測試驅(qū)動器工作性能、對加載、溫升、電壓波動、速度調(diào)節(jié)范圍等。

2）計(jì)算機(jī)信號數(shù)據(jù)處理以及單元功能顯示

（1）收購AC逆變器單元發(fā)出的測試信號、數(shù)據(jù)，按照交流變頻調(diào)速試點(diǎn)項(xiàng)目的具體要求，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并打出相應(yīng)的測試報(bào)告。（2）試點(diǎn)項(xiàng)目規(guī)范，通過菜單對計(jì)算機(jī)程序和屏幕進(jìn)行設(shè)置，控制單元交流變頻速度測試試點(diǎn)項(xiàng)目。（3）檢測單位是連接不同型號的電牽引采煤機(jī)，完成對采煤機(jī)控制中心，檢測中心和電力牽引性能測試部的完全控制。

3）采煤機(jī)控制單元功能測試監(jiān)控系統(tǒng)，包括：（1）采煤機(jī)的控制中心系統(tǒng)，采煤機(jī)故障檢測；（2）采煤機(jī)具有調(diào)整控制中心以及對參數(shù)調(diào)整的功能；（3）采煤機(jī)監(jiān)控中心信號，數(shù)據(jù)采集功能測試；（4）采煤機(jī)其他控制元件功能測試；（5）手控、應(yīng)急手控、終端站和遠(yuǎn)程控制功能測試；（6）電力牽引部，切割機(jī)，泵站和電力性能測試；（7）串行通信采煤機(jī)控制監(jiān)測系統(tǒng)的性能測試。

6 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

1）系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)由控制保護(hù)算法以及顯示控制這兩部分組成，可以采用梯形圖形式編寫組成PLC控制軟件，圖形化編程構(gòu)成顯示器。

十個模擬輸入，一個模擬輸出和三十九個數(shù)字輸入和輸出組成了PLC處理的數(shù)據(jù)。雖然PLC切換的處理能力是很強(qiáng)的，但這些中小型PLCGEFunac90-30，算術(shù)功能弱，缺乏像靈活的支持梯形圖編程地址尋址指針，所以在這個模擬系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)處理重點(diǎn)和難點(diǎn)。在設(shè)計(jì)中，為每個模擬輸入設(shè)置一個單獨(dú)的FIF0隊(duì)列，以盡量減少長字操作，以滿足響應(yīng)時間的前提下減少耗時的濾波操作其他一些方法，提高十路模擬信號的數(shù)字濾波效率。在實(shí)際操作時，以0.4ms/千步的PLC內(nèi)完成10道820ms的話均值濾波的深度，比平均濾波算法快約30%的重復(fù)積累。此外，通過設(shè)置一個大數(shù)組使用處理數(shù)據(jù)的下標(biāo)操作符的方法，這樣的方法不僅可以提高處理效率，并具有靈活性。

在PLC程序里，一般采用了子程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，它具有一個明確的方案結(jié)構(gòu)，維修方便的優(yōu)勢，可以節(jié)省寶貴的內(nèi)存資源PLC。PLC控制程序，由十個子程序和一個主要程序組成，其中，每個子程序可以獨(dú)立于具體的函數(shù)，并且子程序能明確接口之間的算法和數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。例如，在模擬的預(yù)處理時，編制專門的子程序，移位操作使用FIF0隊(duì)列組成，數(shù)字濾波以模擬數(shù)據(jù)方式輸入。

2）前面對提高系統(tǒng)的抗干擾性以及可靠性能進(jìn)行描述，因?yàn)榻涣麟姞恳姎饪刂葡到y(tǒng)的工作環(huán)境復(fù)雜。在PLC的采礦電氣控制系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)，以確保該系統(tǒng)能在這樣的環(huán)境下可靠運(yùn)行，由此想出了以下辦法：

（1）在PLC中已安裝防震動的加固措施，封閉濕度和灰塵的電子控制系統(tǒng)；

（2）采用寬輸入電壓范圍內(nèi)控制電源開關(guān)，保持發(fā)電能力的40%至50%；

（3）在電路設(shè)計(jì)部分，為了確保設(shè)備的耐壓能力以及額定功率超過兩倍以上，最大限度地使用工業(yè)級元件；

（4）控制系統(tǒng)裝備在屏蔽腔內(nèi)，全部使用雙絞線以及屏蔽電纜作為控制電纜。對系統(tǒng)使用嚴(yán)密的隔離手段；對輸入輸出口用光耦和繼電器進(jìn)行隔離；

（5）對必須通過長距離傳輸?shù)碾娦盘?，盡可能地對有用信號的幅度進(jìn)行放大，以提高信號噪聲比，信號接收電路以降低輸入阻抗，并使用帶通濾波器，和許多其他的綜合性措施，以減少信號電路的噪聲干擾的頻率和其他電氣設(shè)備；

（6）在收集電流和溫度信號控制軟件，該軟件的過濾器可排除所有“離群值”，通過分析信號的過渡系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)正常參數(shù)相結(jié)合，傳感器故障診斷，減少保護(hù)誤動造成停電。

7 結(jié)束語

1998年7月，晉城礦務(wù)局率先使用了裝備有PLC電控系統(tǒng)的第一臺交流電牽引采煤機(jī)。這臺電牽引采煤機(jī)在井下使用一年后結(jié)果表明，這種電控系統(tǒng)，不僅能起到基本控制的作用，還有保護(hù)功能，在準(zhǔn)確性、可靠性以及響應(yīng)速度方面，都可以比其它的電控系統(tǒng)提供更高要求。它具有LCD寬大屏幕的顯示器，可以檢測到系統(tǒng)故障，可以跟蹤記錄工作狀態(tài)，在操作的時候可以適時提示，毫無疑問地受到用戶的喜好。

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