馮建英，王 鍇

(山西省能源發(fā)展中心，山西 太原 030006)

0 引言

隨著自動控制技術(shù)的飛速發(fā)展與進步，用戶對礦山用防爆膠輪車電控系統(tǒng)使用性能的要求不斷提升，原電控系統(tǒng)逐漸暴露出以下問題：①系統(tǒng)的控制功能單調(diào)，許多必要的模擬信號沒有顯示或以比較簡單的上下限報警方式表示；②顯示與人機接口為LED燈狀態(tài)表示，無法提供更多的信息和更為詳細的運行狀態(tài)；③模塊種類多，裝配方式凌亂，致使安裝接線工作量大且容易出錯；④整個控制系統(tǒng)由硬件組成，往往牽一發(fā)而動全身，靈活性較差；⑤無法滿足智能化的要求。為了滿足用戶對礦山用防爆膠輪車電控系統(tǒng)使用性能要求的不斷提升，本文基于PLC設(shè)計了礦山用防爆膠輪車控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)安全、可靠、先進、簡單的目的，實現(xiàn)人機對話、故障的預(yù)診斷和分析、黑匣子等功能。

1 礦山用防爆膠輪車PLC電控系統(tǒng)配置

以安全、可靠、先進、簡單的設(shè)計理念設(shè)計的基于PLC的礦山用防爆膠輪車控制系統(tǒng)由可編程控制器PLC、開關(guān)量隔爆/本安轉(zhuǎn)換板MD1、頻率隔爆/本安轉(zhuǎn)換板MD2、模擬量本安轉(zhuǎn)換板MD3、繼電器隔離輸出板JD1和JD2及外圍I/O設(shè)備組成，所有器件均置放于隔爆電控箱內(nèi)，如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)與危險區(qū)的隔離主要依靠各個隔爆/本安、隔爆/隔爆轉(zhuǎn)換板進行隔離，本安設(shè)備使用的本安電源由各隔離轉(zhuǎn)換板自行或分別(防止本安電流過大導致的不安全因素)供電。PLC及各個隔離轉(zhuǎn)換板的隔爆部分由電瓶直接供電，為非本安電源。外圍的開關(guān)量設(shè)備由開關(guān)量隔爆/本安轉(zhuǎn)換板MD1上的DC/DC變換器轉(zhuǎn)換成5 V本安電源向其供電，啟動鑰匙盒為一組本安電源，最大電流為50 mA，其余開關(guān)量分為兩組，每組最大為8路開關(guān)量輸入，最大電流為100 mA。各開關(guān)量通過MD1板直接將轉(zhuǎn)換的信號送到PLC的相應(yīng)輸入點，供PLC監(jiān)測和控制使用。

圖1 基于PLC的礦山用防爆膠輪車控制系統(tǒng)配置

外圍頻率信號主要有發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號、里程速度信號和甲烷檢測儀信號，3路信號的頻率均不超過5 kHz，而PLC高速計數(shù)器接口的最高輸入頻率為20 kHz。頻率隔爆/本安轉(zhuǎn)換板MD2分別對3路頻率信號提供12 V、50 mA(發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號，里程速度信號)和18 V、100 mA(甲烷檢測儀信號)本安電源，同時接收一路甲烷斷電開關(guān)量信號，分別將這些信號轉(zhuǎn)換后送到PLC的高速計數(shù)器輸入點，供PLC監(jiān)測和控制使用。與觸摸屏通訊的模塊TX0安裝在MD2板上，同時也將漏電保護板SD集成在MD2板上。

外圍模擬量信號共有7路，分為兩類，即Pt100熱電阻輸入信號5路，液位信號2路(0 Ω～180 Ω)，由模擬量本安轉(zhuǎn)換板MD3對其提供本安電源，并采集各模擬信號，通過通訊口隔離模塊TX1(TX1安裝在MD3板上)將數(shù)據(jù)送到PLC的PORT1通訊口。MD3板上的所有器件均由板上的本安電源供電，通過DC/DC變換器與隔爆區(qū)隔離。

繼電器輸出板JD1和JD2提供對各個電磁閥、K1和K2中間繼電器、大小燈照明的接點控制。JD1和JD2每塊板提供6路繼電器接點輸出，同時將各路輸出對應(yīng)的熔斷器及其他回路控制用熔斷器及整流二極管均安裝在板上，板上的輸出直接控制各負載的動作，輸入部分與PLC的對應(yīng)輸出點連接。

觸摸屏與PLC由通訊口隔離模塊TX0與PLC進行數(shù)據(jù)交換，并向觸摸屏提供12 V、150 mA的本安電源。觸摸屏與電控箱總共有4根線連接，分別是+12 V、TX、RX、0 V。

2 設(shè)備及模塊選型

2.1 PLC的選擇

選用德國SIEMENS公司生產(chǎn)的小型可編程器S7-200系列作為主控制器，為配套PLC選用6ES 7216-AD23-0XB8 CPU模塊一塊(24I/16O)、6ES 7223-1HF22-0XA0 4I/4O混合模塊一塊，共計28個開關(guān)量輸入點，20個開關(guān)量輸出點，2個RS485通訊口。

2.2 開關(guān)量隔爆/本安轉(zhuǎn)換板MD1

MD1板主要是將外圍本安開關(guān)信號轉(zhuǎn)換成與PLC輸入點相適應(yīng)的信號，實現(xiàn)本安/隔爆之間的信號隔離和轉(zhuǎn)換。MD1板從功能上分為本安輸入部分、隔爆輸出部分和本安電源供電部分，為方便安裝接線、現(xiàn)場維修和板卡更換，接線端子采用仿西門子的快速拔插式端子。MD1板功能框圖如圖2所示。

圖2 MD1功能框圖

2.3 頻率隔爆/本安轉(zhuǎn)換板MD2

MD2板的主要作用是將現(xiàn)場的里程速度信號、發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號、甲烷檢測儀的頻率信號轉(zhuǎn)換成PLC高速輸入口匹配信號，實現(xiàn)本安/隔爆之間的信號隔離和轉(zhuǎn)換。

MD2板從功能上分為本安輸入部分、脈沖整形部分、隔爆輸出部分和本安電源供電部分，接線端子采用仿西門子的快速拔插式端子。MD2板將漏電保護板SD以及與觸摸屏的通訊和供電部分也集成到了上面。MD2板功能框圖如圖3所示。

圖3 MD2板功能框圖

2.4 模擬量本安轉(zhuǎn)換板MD3

MD3板的主要作用是將現(xiàn)場監(jiān)測溫度的熱電阻輸入信號和檢測液位的電阻信號進行A/D轉(zhuǎn)換，然后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量通過隔離通訊方式傳送到PLC的PORT1通訊口。MD3板的設(shè)計是在本安方式下先進行AD轉(zhuǎn)換，然后將數(shù)字量直接送到PLC。AD信號板自制，采用一塊單片機控制數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，將處理好的數(shù)字量信號通過隔離通訊模塊TX1送到PLC。

MD3板從功能上分為本安輸入部分、數(shù)據(jù)變換部分、隔爆通訊輸出部分和本安電源供電部分，接線端子采用仿西門子的快速拔插式端子。MD3板功能框圖如圖4所示。

圖4 MD3板功能框圖

2.5 繼電器隔離輸出板JD1和JD2

JD1和JD2主要實現(xiàn)對現(xiàn)場執(zhí)行元件(燈、閥等)的控制和控制功率的轉(zhuǎn)換及信號的隔離，每塊板上集成了6個DC24V、40A的汽車專用繼電器，型號為HG4185，同時集成了10個熔斷器(除每個繼電器使用一個外，剩余4個供其他線路使用)。JD板功能框圖如圖5所示。

圖5 JD板功能框圖

2.6 觸摸屏

觸摸屏選用“5”或“5.7”彩色TFT觸摸屏，工作在本安狀態(tài)下，由MD2板對其供電并與其通訊。

3 礦山用防爆膠輪車PLC電控系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

(1) 正常的操作運行：即實現(xiàn)人機對話和開車必須的邏輯聯(lián)鎖關(guān)系以及對外圍I/O設(shè)備的監(jiān)測和控制。

(2) 故障的預(yù)診斷和分析：采用計算機技術(shù)，實現(xiàn)了故障的預(yù)診斷和分析。故障預(yù)判，即提前發(fā)出報警信號，能夠使操作者及時采取措施，避免事故的發(fā)生。故障分析，即當故障發(fā)生時，可以提供輔助分析功能，幫助修理人員及時排除故障。

(3) 黑匣子功能：系統(tǒng)可以提供10天以上的設(shè)備運行記錄，包括啟停時刻、車輛運行軌跡再現(xiàn)、各種狀態(tài)(如溫度、液位等)歷史記錄的查詢，有助于管理人員的科學管理。

(4) 其他擴展功能：稱重、無線通訊等。

3 結(jié)語

本文設(shè)計了一種防爆膠輪車PLC電控系統(tǒng)，采用本安回路，滿足了防爆要求；采用PLC和單片機控制，解決了惡劣環(huán)境的電磁干擾，保證了器件及模塊的抗震能力；實現(xiàn)了故障預(yù)診斷、故障分析、黑匣子等功能；采用模塊化設(shè)計和拔插式接頭，使得檢修方便簡單。