胡云龍，趙四海，劉 博，張 帆，焦玲玉，李士寧

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100083）

0 引言

國(guó)內(nèi)電牽引采煤機(jī)發(fā)展至今，在消化、吸收引進(jìn)國(guó)外采煤機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)和自主創(chuàng)新，擁有了許多具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的換代產(chǎn)品，在研制和開(kāi)發(fā)上已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步[1]。但是同國(guó)際先進(jìn)水平相比，仍然有較大的差距，主要集中體現(xiàn)在設(shè)備的性能、可靠性和智能化等方面，這些也就成了采煤機(jī)的研究重點(diǎn)[2]。采煤機(jī)電氣控制系統(tǒng)是煤機(jī)運(yùn)行割煤的控制中樞，其性能的優(yōu)劣直接影響煤炭生產(chǎn)的產(chǎn)量與效率。隨著裝機(jī)功率的不斷加大，運(yùn)行速度的提高，先進(jìn)可靠的采煤機(jī)控制技術(shù)是煤炭生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的一個(gè)關(guān)鍵[3]。

本文提出一種基于PLC 的滾筒式電牽引采煤機(jī)控制系統(tǒng)，通過(guò)通信接口RS485 豐富了人機(jī)界面和自動(dòng)控制功能，采用液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示采煤機(jī)的工作狀態(tài)，對(duì)故障及時(shí)報(bào)警提示，并利用變頻控制牽引電機(jī)和遠(yuǎn)程遙控裝置控制采煤機(jī)運(yùn)行，操作簡(jiǎn)單，系統(tǒng)穩(wěn)定性能高，對(duì)提高采煤效率，減少人的勞動(dòng)強(qiáng)度具有重要意義，對(duì)實(shí)現(xiàn)少人甚至無(wú)人開(kāi)采提供借鑒。

1 采煤機(jī)的控制需求

滾筒式電牽引采煤機(jī)控制需求： ①開(kāi)機(jī)時(shí)應(yīng)具備預(yù)警功能和電機(jī)延時(shí)啟動(dòng)；②設(shè)置門(mén)連鎖開(kāi)關(guān)、急停按鈕和瓦斯斷電裝置；③能夠?qū)ο到y(tǒng)各運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行采集：電機(jī)電流、電機(jī)溫度、油壓等；④能夠在液晶顯示器中實(shí)時(shí)顯示采煤機(jī)當(dāng)前的工作狀態(tài)；⑤超限保護(hù)： 當(dāng)檢測(cè)到某運(yùn)行參數(shù)超限時(shí)，能及時(shí)報(bào)警提示，并在液晶顯示器上指出故障位置[4]；⑥良好的人機(jī)界面，豐富的人機(jī)接口；⑦變頻調(diào)速裝置的最低輸出頻率應(yīng)不高于3Hz，最高輸出頻率為基本頻率（50Hz）。

2 電控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2.1 電控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)是以可編程控制器PLC 為控制核心，通過(guò)PLC 控制中間繼電器，中間繼電器控制交流真空接觸器，達(dá)到控制截割電機(jī)的啟停；通過(guò)PLC 控制變頻器，變頻器控制牽引電機(jī)，達(dá)到牽引電機(jī)的加減速和往返運(yùn)動(dòng)；通過(guò)PLC 控制中間繼電器，中間繼電器控制電磁閥，達(dá)到控制采煤機(jī)左右搖臂的升降。采煤機(jī)電控系統(tǒng)組成框圖如圖1 所示，PLC 接收各個(gè)傳感器返回的檢測(cè)信號(hào)以及電機(jī)反饋的信號(hào)，對(duì)電機(jī)和電路進(jìn)行保護(hù)。通過(guò)RS232通訊接口與本地操作站通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)電控系統(tǒng)的各個(gè)狀態(tài)控制。通過(guò)RS485 通信接口實(shí)現(xiàn)與變頻器、顯示屏以及無(wú)線(xiàn)模塊的通信，達(dá)到對(duì)采煤機(jī)的變頻控制、實(shí)時(shí)顯示采煤工作狀態(tài)以及為遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)控制提供接口。

圖1 滾筒式電牽引采煤機(jī)電控系統(tǒng)的組成框圖Fig.1 Block diagram of control system of drum type electrical haulage shearer

系統(tǒng)特點(diǎn)： ①采用PLC 控制系統(tǒng)，性能穩(wěn)定；②7英寸液晶屏顯示界面，實(shí)時(shí)監(jiān)控采煤機(jī)工況；③本地操作站帶有文本顯示，發(fā)送控制指令同時(shí)監(jiān)測(cè)采煤機(jī)工況；④故障報(bào)警，在液晶屏和本地操作站均提示故障并蜂鳴器警告；⑤控制器具有過(guò)載、溫度、瓦斯、壓力、粘連等保護(hù)功能[5]；⑥系統(tǒng)、油泵電機(jī)、左右截割電機(jī)、左右牽引電機(jī)開(kāi)機(jī)預(yù)警功能；⑦故障急停功能；⑧開(kāi)機(jī)時(shí)具備預(yù)警功能和電機(jī)延時(shí)啟動(dòng)功能；⑨主電路漏電閉鎖保護(hù)功能。

2.2 系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用的PLC 主控器支持松下MEWTOCOL 協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)Modbus RTU 協(xié)議。為了保證本地操作站的可靠性，本地操作站與PLC 通訊選擇一對(duì)一的RS232 方式。液晶顯示器、遙控裝置和變頻器與PLC 通訊選用1:N 的RS485 工業(yè)總線(xiàn)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示。

3 電控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

采煤機(jī)電控系統(tǒng)主要由主回路、控制回路、保護(hù)回路、電源模塊以及顯示模塊等組成，完成采煤機(jī)電控系統(tǒng)各個(gè)功能。電控系統(tǒng)硬件組成如圖3 所示。

3.1 電源模塊

圖2 電控系統(tǒng)總線(xiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.2 Topological structure diagram of electric control system bus

圖3 電控系統(tǒng)硬件組成框圖Fig.3 The block diagram of control system hardware

本文所研究的MG170/410-WD 采煤機(jī)電控系統(tǒng)功率為410kW，電控系統(tǒng)各回路設(shè)計(jì)參數(shù)如下： 主回路：AC1140V，控制回路：AC220V、AC26V、DC24V、DC12V、DC5V，顯示回路：DC24V，保護(hù)回路：AC24V、DC24V、DC12V，瓦斯傳感器（本安參數(shù)）：Uo：12VDC，Io：350 mA。本安電源由橋式整流濾波電路、穩(wěn)壓電路、二次過(guò)壓過(guò)流保護(hù)組成[6-7]。

系統(tǒng)所需的交流電壓可以通過(guò)控制變壓器直接得到，24VDC、12VDC、5VDC 需要通過(guò)電源模塊轉(zhuǎn)換獲得。電源模塊核心器件穩(wěn)壓器選用L200C 五端穩(wěn)壓器。

3.2 PLC 選型

松下FPG-C32TH 是模塊化的PLC，用戶(hù)可根據(jù)實(shí)際需要自由組合CPU、A/D 轉(zhuǎn)換模塊、通訊插卡、I/O模塊等來(lái)實(shí)現(xiàn)所需功能。其中通訊插卡同時(shí)支持RS232和RS485 接口，并且支持標(biāo)準(zhǔn)Modbus RTU 通訊協(xié)議。本系統(tǒng)中選用A/D 轉(zhuǎn)換模塊FP0-A80 和通訊插卡FPGCOM4 AFPG806 與FPG-C32TH 組合。A/D 轉(zhuǎn)換模塊需要擴(kuò)展三塊，主要連接傳感器輸出的模擬信號(hào)；FPGCOM4 具有RS232 和RS485 兩個(gè)接口通道。

3.3 本地操作站選型

本地操作站選用可編程文本顯示器MD204L，與PLC 通過(guò)RS232 接口通訊，設(shè)置開(kāi)機(jī)、復(fù)位、牽引電機(jī)初始化、左牽引、右牽引、加速、減速、左截割、右截割、左搖臂升、左搖臂降、右搖臂升、右搖臂降、急停等15 個(gè)功能按鍵，實(shí)現(xiàn)對(duì)各電動(dòng)機(jī)和電磁閥的控制并且能文本顯示電流、溫度、制動(dòng)閥油壓、瓦斯?jié)舛鹊缺O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并能實(shí)現(xiàn)報(bào)警畫(huà)面跳轉(zhuǎn)。

3.4 人機(jī)界面選型

人機(jī)界面選用昆侖通態(tài)TPC7062KX，與PLC 通過(guò)RS485 接口通訊，用來(lái)顯示監(jiān)測(cè)采煤機(jī)的工作狀態(tài)和參數(shù)，模擬動(dòng)畫(huà)顯示采煤機(jī)動(dòng)作部位，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常時(shí)改變模塊顏色報(bào)警。

3.5 遙控裝置設(shè)計(jì)

遙控裝置有機(jī)載收發(fā)裝置和遠(yuǎn)程遙控器組成[8]，通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別技術(shù)發(fā)送和接受數(shù)據(jù)，模塊采用無(wú)線(xiàn)射頻模塊nRF24L01 來(lái)實(shí)現(xiàn)，機(jī)載收發(fā)裝置通過(guò)RS485 接口與PLC 通訊，遠(yuǎn)程遙控器具有矩陣鍵盤(pán)和12864 顯示屏，能夠?qū)崿F(xiàn)采煤機(jī)的遠(yuǎn)程控制和工作狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示。遙控裝置與本地操作站控制功能互鎖，使用時(shí)需要進(jìn)行切換，控制功能按鈕設(shè)置和本地操作站一致。

3.6 變頻調(diào)速硬件設(shè)計(jì)

變頻器選用ABB 公司的ACS800，加裝Modbus 通訊模塊RMBA-01 來(lái)實(shí)現(xiàn)與FPG-C32TH 的通訊，RMBA-01 通過(guò)RS485 接口與AFPG806 的COM1 口連接，通訊協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus RTU。

本系統(tǒng)變頻調(diào)速采用“一拖二”方式[9]，用2 臺(tái)變頻器分別驅(qū)動(dòng)2 臺(tái)交流牽引電機(jī)，由兩臺(tái)牽引電機(jī)共同完成采煤機(jī)的行走。其中一臺(tái)變頻器為主變頻器，實(shí)施速度控制，其所驅(qū)動(dòng)的電機(jī)為主電機(jī)，另一臺(tái)變頻器為從變頻器，實(shí)施轉(zhuǎn)矩控制，其所驅(qū)動(dòng)的電機(jī)為從電機(jī)，實(shí)施轉(zhuǎn)矩控制。從變頻器通過(guò)光纖與主變頻器通信，實(shí)時(shí)跟蹤主變頻器的速度、轉(zhuǎn)矩和其他故障信息，保證了兩電機(jī)負(fù)載均衡和安全運(yùn)行。

3.7 輸入輸出設(shè)計(jì)

輸入信號(hào)有開(kāi)關(guān)量信號(hào)和模擬量信號(hào)[10]。開(kāi)關(guān)量信號(hào)包括急停、瓦斯閉鎖、漏電閉鎖以及電機(jī)反饋信號(hào)和電機(jī)溫度信號(hào)，開(kāi)關(guān)量信號(hào)不能直接輸入PLC，需要通過(guò)電磁繼電器進(jìn)行隔離轉(zhuǎn)換才能傳送給PLC；模擬量信號(hào)主要采集傳感器信號(hào)，包括電機(jī)電流、油壓、機(jī)身傾角以及粘連信號(hào)和漏電信號(hào)，模擬信號(hào)通過(guò)安全隔離柵進(jìn)行隔離轉(zhuǎn)換傳送給FP0-A80 模塊，最后傳送給PLC。

輸出信號(hào)只要開(kāi)關(guān)量信號(hào)，輸出信號(hào)不能直接控制電機(jī)運(yùn)行，需要經(jīng)隔離轉(zhuǎn)換才能作用于電機(jī)，隔離元件可選用電磁繼電器和光電耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離。

4 電控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 PLC 程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序流程圖如圖4 所示。PLC 程序使用松下編程軟件FPWIN GR 編寫(xiě)，軟件中選擇PLC 類(lèi)型為 “FPΣ 32K”，編程語(yǔ)言是梯形圖，其中X、Y 分別對(duì)應(yīng)FPGC32TH 中開(kāi)關(guān)量的輸入和輸出，R 是內(nèi)部繼電器，DT是數(shù)據(jù)寄存器。

在編寫(xiě)軟件前，F(xiàn)PWIN GR 需要先和PLC 通訊，用專(zhuān)用USB 編程電纜，在通訊設(shè)置中選擇C-NET 類(lèi)型，對(duì)應(yīng)好COM 口就能讀寫(xiě)PLC 程序和在線(xiàn)運(yùn)行監(jiān)控。

為了方便與本地操作站、人機(jī)界面和變頻器通訊，首先將通訊插卡AFPG806 上的開(kāi)關(guān)SW1-1 和SW1-2 都撥到OFF 位置，在系統(tǒng)寄存器設(shè)置中將COM1 口和COM2 口的傳輸速率設(shè)置成為19200 bps。

RS232 的通信參數(shù)為： MEWTOCOL 協(xié)議；波特率為9600bps；8 位數(shù)據(jù)位，1 位停止位 ，奇校驗(yàn)。RS485 通信參數(shù)為： Modbus RTU協(xié)議；波特率為19200bps；8 位數(shù)據(jù)位，1 位停止位，奇校驗(yàn)。并且485通信時(shí)，在編寫(xiě)程序時(shí)區(qū)分每個(gè)設(shè)備的地址。

RS232 通訊中，本地操作站作主站，PLC 作從站，PLC 通訊功能不需要編程；RS485 通訊中，PLC 作主站，變頻器、液晶顯示屏和遙控裝置作為從站，PLC 發(fā)送和接收數(shù)據(jù)需要使用F145 和F146 指令編程。

圖4 系統(tǒng)程序流程圖Fig.4 System program flow diagram

4.2 人機(jī)界面程序設(shè)計(jì)

昆侖通態(tài)TP7062KX 通過(guò)MCGS 組態(tài)軟件編程，首先進(jìn)行設(shè)備組態(tài)，在設(shè)備窗口中打開(kāi)設(shè)備管理，添加通用串口父設(shè)備，子設(shè)備添加串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，這樣就能將人機(jī)界面設(shè)置為從站，從站站號(hào)設(shè)置為3。打開(kāi)通用串口父設(shè)備設(shè)置，基本屬性設(shè)置成與PLC 相同，通訊口選擇COM1，PLC 通訊口選擇COM1，對(duì)應(yīng)的是RS485 通訊。通訊設(shè)置完畢進(jìn)行畫(huà)面組態(tài)，組態(tài)畫(huà)面如圖5 所示。

顯示系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)電機(jī)電流的監(jiān)測(cè)、傾角、壓力、溫度、液位等變量的監(jiān)測(cè)，在組態(tài)軟件中顯示標(biāo)簽采集Modbus RTU 協(xié)議中的4 區(qū)輸出寄存器，不僅能實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，而且能設(shè)置超限標(biāo)簽變色，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能；采煤機(jī)前進(jìn)、后退、預(yù)警、滾筒升、降等控制信號(hào)采集Modbus RTU 協(xié)議中的0 區(qū)輸出繼電器，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)動(dòng)作情況的顯示。

圖5 人機(jī)界面畫(huà)面Fig.5 The man-machine interface screen

4.3 本地操作站程序設(shè)計(jì)

本地操作站選用的MD204L文本顯示器，通過(guò)組態(tài)軟件TP200 編程，PLC 端通訊口選 擇COM2，MD204L通訊口選擇COM1，對(duì)應(yīng)的是RS232 通訊。PLC 系統(tǒng)寄存器COM2 口設(shè)置通訊協(xié)議組態(tài)軟件中PLC 類(lèi)型選擇 “松下 （FPM/FP1/FP0）”，其他設(shè)置和PLC 對(duì)應(yīng)。

本地操作站能實(shí)現(xiàn)按鍵控制采煤機(jī)動(dòng)作、實(shí)時(shí)監(jiān)控、畫(huà)面跳轉(zhuǎn)報(bào)警、蜂鳴器報(bào)警等功能，通過(guò)對(duì)應(yīng)PLC中的Y、R 繼電器以及DT 寄存器實(shí)現(xiàn)。

4.4 變頻器程序設(shè)計(jì)

PLC 對(duì)ACS800 的控制全部依靠通訊來(lái)完成，通過(guò)用RS485 總線(xiàn)連接通訊模塊RMBA-01 實(shí)現(xiàn)通訊功能。首先通過(guò)變頻器控制盤(pán)將波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位等通訊參數(shù)設(shè)置對(duì)應(yīng)好，左、右變頻器從站站號(hào)分別設(shè)置為1 和2，將控制電機(jī)啟停、速度的參數(shù)設(shè)置為通訊控制，電機(jī)運(yùn)行方向設(shè)置為REQUEST（按需）。

PLC 將數(shù)據(jù)發(fā)送到變頻器Modbus RTU 地址40001來(lái)控制電機(jī)的初始化、啟動(dòng)和停止，發(fā)送到40002 控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向；PLC 通過(guò)接收變頻器Modbus RTU地址40004 的數(shù)據(jù)來(lái)判斷電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，40005、40006、40010、40011 分別采集電機(jī)的速度、電流、功率和IGBT 溫度。

4.5 遙控裝置程序設(shè)計(jì)

遙控裝置程序有兩部分： 機(jī)載收發(fā)程序和遙控器程序。機(jī)載收發(fā)裝置程序設(shè)計(jì)流程圖如圖6 所示，主程序首先對(duì)芯片的初始化，等待系統(tǒng)中斷。射頻模塊信號(hào)接收采用中斷方式。一旦有中斷產(chǎn)生，CPU 進(jìn)入工作模式，調(diào)用相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序進(jìn)行中斷處理。接收采煤機(jī)狀態(tài)參數(shù)和遙控器發(fā)送的鍵值，校驗(yàn)無(wú)誤后送射頻收發(fā)模塊發(fā)送到手持遙控器。中斷處理完成后再進(jìn)入省電模式，以此循環(huán)。

遙控器控制程序與機(jī)載收發(fā)程序基本相同，它是向機(jī)載收發(fā)裝置發(fā)送鍵值，并接收機(jī)載收發(fā)裝置的采煤機(jī)狀態(tài)信號(hào)。

5 電控系統(tǒng)調(diào)試與實(shí)驗(yàn)

當(dāng)電控系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)完成并接線(xiàn)之后，需要調(diào)試系統(tǒng)。首先進(jìn)行單個(gè)部分程序調(diào)試，之后進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試。本地操作站、變頻器、顯示器在與PLC 單個(gè)通信時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能，操作面板可以控制電機(jī)啟停，顯示器能夠顯示電機(jī)當(dāng)前電流。在整體調(diào)試時(shí)，RS485 不能同時(shí)接收數(shù)據(jù)，所以試驗(yàn)中設(shè)計(jì)RS485 發(fā)送程序的逐個(gè)循環(huán)發(fā)送，解決了問(wèn)題能夠整體配合控制電機(jī)啟停變速和顯示。

本系統(tǒng)已在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試完成，能夠準(zhǔn)確控制變頻器及電機(jī)的動(dòng)作，并能夠?qū)崟r(shí)顯示監(jiān)測(cè)電機(jī)當(dāng)前狀態(tài)和反饋數(shù)據(jù)。

圖6 機(jī)載收發(fā)裝置程序設(shè)計(jì)流程圖Fig.6 Airborne transceiver program design flow chart

6 結(jié)束語(yǔ)

基于PLC 控制的滾筒式電牽引采煤機(jī)電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多種方式對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行控制——本地操作站、機(jī)身按鈕、遙控器，并且將采煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)反映到顯示器屏幕、本地操作站和遙控器，司機(jī)和工作面工人能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)報(bào)警并能迅速采取措施，使得采煤機(jī)異常時(shí)間大大縮短，延長(zhǎng)了采煤機(jī)的壽命，工作效率提高。為未來(lái)實(shí)現(xiàn)少人甚至無(wú)人開(kāi)采提供寶貴的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。

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