郭曙光

(山西晉城煤業(yè)集團成莊礦,山西 晉城 048021)

1 概述

刮板輸送機是煤礦、選煤廠以及電廠等行業(yè)重要的運輸設備。刮板輸送機一般設計的環(huán)形長度約80m左右，機頭和機尾都裝配有電機，在傳統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)中，機頭部分、機尾部分以及中部槽中都裝有控制器，此設計成本較大，電氣線纜鋪設較長，產(chǎn)生故障的概率也較大。本文針對成莊礦現(xiàn)有刮板輸送機的電氣系統(tǒng)進行改進，只在機頭部分安裝主控制器，以CAN通信的方式實現(xiàn)對刮板輸送機的電氣控制。

2 系統(tǒng)設計

成莊礦刮板輸送機電氣系統(tǒng)改進方案的系統(tǒng)設計如圖1所示。在該系統(tǒng)設計中，以機頭控制器為控制核心，以CAN通訊的方式對刮板輸送機中部槽、機尾、人機界面以及機頭變頻器和機尾變頻器進行控制。其中機頭控制器主要完成對刮板輸送機各類傳感器數(shù)據(jù)的采集、機頭電機的控制、對中部槽、機尾以及人機界面的控制；中部槽控制附件主要完成刮板輸送機的啟動、停止、急停以及控制緊鏈裝置等；機尾控制器附件主要完成機尾電機的控制以及卸貨過程；人機界面主要完成對刮板輸送機的動態(tài)監(jiān)測以及故障診斷功能；機頭變頻器和機尾變頻器主要完成對機頭電機和機尾電機的變頻控制。

圖1 刮板輸送機電氣系統(tǒng)改進方案系統(tǒng)設計

3 硬件設計

成莊礦刮板輸送機使用的核心硬件主要是PLC控制器以及擴展模塊、變頻器以及CAN通訊隔離柵。其中PLC控制器選用倍福的CX8050。CX8050控制器的處理器是32bit的ARM處理器，時鐘頻率為400MHz，有256MB的閃存，有64MB的RAM有一個Ethernet 10/100MBit/s的網(wǎng)絡通訊接口，一個支持CAN的通訊接口。在本設計中需要擴展CAN通訊接口，使用的擴展模塊為EL6751，該擴展模塊可以擴展出一個CAN通訊接口。CX8050采用TwinCAT PLC軟件進行程序設計，一般采用ST語言進行編程，使得編程更加的簡潔、方便。變頻器選用的是W4型變頻器，該變頻器體積小巧，安裝方便，性能良好，并且支持CAN2.0B通訊。在進行CAN通訊時，采用屏蔽線，并且使用CAN通訊隔離柵對CAN通訊信號進行隔離，保證CAN通訊不受外界干擾，保證通訊的穩(wěn)定性。

4 軟件設計

4.1 PLC程序設計

本文提出的成莊礦刮板輸送機電氣系統(tǒng)改進方案的軟件設計一共分為八個功能塊，其中“初始化”主要完成對程序中所使用變量的初始化；“通訊狀態(tài)監(jiān)測”主要完成機頭主控制器與其他CAN通訊從站的通訊狀態(tài)監(jiān)測，如果通訊中斷，即在人機界面上提示通訊故障；“與中部槽通訊過程”、“與機尾通訊過程”、“與人機界面通訊過程”、“與機頭變頻器通訊過程”以及“與機尾變頻器通訊過程”該五個功能塊主要完成CAN通訊過程，包括CAN通訊的啟動、數(shù)據(jù)的接收以及發(fā)送。“模擬量處理”過程主要完成對系統(tǒng)模擬的處理，如刮板輸送機的油箱油溫、油位的處理；“邏輯控制”主要完成系統(tǒng)的邏輯控制，包括對按鈕的控制、遠程/本地操作控制、單機/聯(lián)鎖控制等功能；“電機控制”主要完成對機頭電機和機尾電機的啟動、停止、加速、減速等控制；“保護控制”主要完成對電機過流、過載、缺相、斷相、兩相粘連等保護功能。在進行PLC程序設計時，上述八個功能塊都各自作為一個程序功能塊，在main主程序中分別調(diào)用，這樣在編寫和調(diào)試程序時都非常的方便。

圖2 PLC程序設計

4.2 CAN通訊設計

在CAN通訊設計中，將機頭核心控制器作為CAN通訊的主站，機頭變頻器作為2號從站，機尾變頻器作為3號從站，中部槽作為4號從站，機尾作為5號從站，人機界面作為6號從站。采用CAN2.0B通信協(xié)議，波特率為250kbps，幀格式為標準幀格式。在進行CAN通訊時，需要協(xié)商并確定CAN通訊協(xié)議。本文涉及到的CAN通訊從站有5個，由于篇幅所限，以下僅給出核心控制器與變頻器以及人機界面的CAN通訊協(xié)議。

（1）與變頻器的CAN通訊協(xié)議

在本系統(tǒng)中有兩個變頻器，即機頭變頻器和機尾變頻器，從站號分別為2號和3號，以下通信協(xié)議的描述中，以2號從站為例。表1中描述的是機頭核心控制器與2號變頻器從站的CAN通信協(xié)議。

表1 機頭核心控制器與2號變頻器從站的CAN通信協(xié)議

其中控制方式有兩種，即轉矩控制與轉速控制，表1中的“控制方式”為一個宏，即PLC控制器對變頻器的控制既可以是轉矩控制也可以是轉速控制，相應的“加速時間”和“減速時間”也有不同的物理意義，具體見表2所示。

表2 宏-控制方式的物理意義

（2）與人機界面的CAN通訊協(xié)議

該系統(tǒng)中刮板運輸機在運行時，各個參數(shù)變量以及狀態(tài)以人機界面的形式進行輸出，方便技術人員查看和調(diào)試。人機界面是CAN通信的6號從站，表3中描述的是機頭核心控制器與6號人機界面從站的CAN通信協(xié)議。

表3 機頭核心控制器與6號人機界面的CAN通信協(xié)議

5 人機界面

本文提出的成莊礦刮板輸送機電氣系統(tǒng)改進方案的人機界面如圖3所示，圖中列出了數(shù)字量輸入點、數(shù)字量輸出點、傳感器類故障、通訊類故障、電機故障以及控制方式等。在本地測試和實際使用中，該人機界面都起著非常大的作用。

6 結語

本文以成莊礦刮板輸送機為研究對象，對現(xiàn)有的電氣系統(tǒng)進行改進，以機頭控制器為控制核心，與中部槽附件、機尾附件、人機界面、機頭變頻器以及機尾變頻器以CAN通信的方式實現(xiàn)對刮板輸送機的整體控制以及人機界面數(shù)據(jù)的輸出。文章詳細給出了系統(tǒng)設計、硬件設計以及軟件設計，并給出機頭核心控制器與變頻器以及與人機界面的CAN通信協(xié)議。通過人機界面進行本地測試，并將該系統(tǒng)應用于洗煤廠刮板輸送機，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，故障率低，值得推廣。

圖3 刮板輸送機的人機界面