基于PLC控制的煤礦井下帶式輸送機(jī)運(yùn)輸電控系統(tǒng)改造

文/李富強(qiáng)

基于PLC控制的煤礦井下帶式輸送機(jī)運(yùn)輸電控系統(tǒng)改造

文/李富強(qiáng)

隨著我國(guó)煤礦高產(chǎn)高效礦井的建設(shè)，礦井機(jī)電設(shè)備向著高電壓、大功率、控制系統(tǒng)高科技方向發(fā)展，PLC控制系統(tǒng)有著接線簡(jiǎn)化、性能可靠、事故率低、容易編程、控制多樣等特點(diǎn)，在煤礦設(shè)備上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

煤礦井下帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)具有設(shè)備多、類(lèi)型雜、布置分散、全線距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，PLC控制已逐步取代繼電器控制，應(yīng)用于煤礦井下帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)中。本文闡釋采用西門(mén)子S7-400配以必要的檢測(cè)、控制組件和顯示儀表及電腦監(jiān)控，完成帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中系統(tǒng)控制和安全保護(hù)等多種功能。

一、PLC系統(tǒng)的組成

本電控系統(tǒng)中，使用2個(gè)獨(dú)立的PLC子系統(tǒng)組成1個(gè)PLC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其中1個(gè)PLC安裝在操作臺(tái)(簡(jiǎn)稱操作PLC)中,另1個(gè)PLC安裝在PLC保護(hù)柜(簡(jiǎn)稱保護(hù)PLC)中,使用一根二芯電纜將兩個(gè)PLC連接在一起，組成一個(gè)MPI網(wǎng)絡(luò)。在操作PLC中,通過(guò)CP340模塊與上位機(jī)進(jìn)行通信,使用RS485標(biāo)準(zhǔn)通信接口，其組成框圖如圖1。

圖1 PLC系統(tǒng)組成框圖

1.操作PLC的組成及功能

（1)操作PLC模塊組成：1個(gè)電源模塊，1個(gè)CPU模塊，1個(gè)輸入模塊，3個(gè)輸出模塊，1個(gè)通信模塊。

（2）操作PLC的主要功能：接收外部信號(hào)輸入，按照擬定的邏輯控制操作臺(tái)面板上指示燈的狀態(tài)，將部分輸入/輸出信號(hào)發(fā)送給保護(hù)PLC，將全部輸入信號(hào)發(fā)送給上位機(jī)系統(tǒng)。

當(dāng)PLC與上位機(jī)的通信正常時(shí)，封閉操作臺(tái)中的繼電器，使它們不起作用；當(dāng)PLC與上位機(jī)的通信中斷時(shí)，開(kāi)啟這些繼電器，使它們的接點(diǎn)信號(hào)輸入PLC，以替代來(lái)自上位機(jī)的信號(hào)。

2.保護(hù)PLC的組成及功能

（1）保護(hù)PLC模塊組成：1個(gè)電源模塊，1個(gè)CPU模塊，2個(gè)輸入模塊，2個(gè)輸出模塊。

（2）保護(hù)PLC的主要功能有：接收外部信號(hào)輸入，按照擬定的邏輯控制繼電器動(dòng)作(包括起車(chē)預(yù)告、電氣制動(dòng)停車(chē)、緊急停車(chē)及正常停車(chē)等)，將全部輸入信號(hào)及部分輸出信號(hào)發(fā)送給操作PLC。

二、鋼纜帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行原理

1.運(yùn)行方式

(1)以電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方式分，共有四種運(yùn)行方式：均轉(zhuǎn)矩運(yùn)行、均轉(zhuǎn)速運(yùn)行、1號(hào)單機(jī)運(yùn)行、2號(hào)單機(jī)運(yùn)行。

(2)以電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度分為三種運(yùn)行方式：運(yùn)煤（＜2.5m/s）、運(yùn)人（＜1.8m/s）、驗(yàn)繩（＜0.63m/s）。

三種速度運(yùn)行狀態(tài)由選擇開(kāi)關(guān)決定，具體速度狀態(tài)由給定方式?jīng)Q定。當(dāng)繼電器置于手動(dòng)時(shí)，其速度取決于(外控)(內(nèi)控)電位器，但不會(huì)超過(guò)速度限制；當(dāng)繼電器置于自控時(shí)，運(yùn)行速度完全取決于三種速度狀態(tài)，并且在本系統(tǒng)中可以任意設(shè)置三種速度值。

2.均轉(zhuǎn)矩運(yùn)行原理

均轉(zhuǎn)矩為1、2號(hào)電動(dòng)機(jī)聯(lián)動(dòng)方式之一，其運(yùn)行框圖如圖2。

圖2均轉(zhuǎn)矩運(yùn)行框圖

由圖2可知，兩套調(diào)節(jié)系統(tǒng)共用一個(gè)給定積分器和一個(gè)速度調(diào)節(jié)器，速度調(diào)節(jié)器的輸出即為電流調(diào)節(jié)器的給定值，因而兩個(gè)電流調(diào)節(jié)器給定值相同，當(dāng)兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)電流反饋強(qiáng)度相同時(shí),可使同時(shí)工作的兩臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)的輸出直流電流值相等。

在本系統(tǒng)中，兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)為串聯(lián)激磁，因而兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)磁通相同。此時(shí)，如果兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)電樞電流相同，則轉(zhuǎn)矩一定相等，從而達(dá)到均轉(zhuǎn)矩的目的。均轉(zhuǎn)矩就是保證兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩相同，此運(yùn)行方式也是本系統(tǒng)最重要的運(yùn)行方式。

但應(yīng)注意的是，系統(tǒng)均轉(zhuǎn)矩運(yùn)行時(shí)，對(duì)于1號(hào)電動(dòng)機(jī)是一個(gè)完整的雙閉環(huán)系統(tǒng)，因而1號(hào)電動(dòng)機(jī)能夠達(dá)到理想的速度精度。而2號(hào)電動(dòng)機(jī)僅是一個(gè)電流環(huán)跟隨系統(tǒng)，兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)雖出力相同，但速度并不一定相同。

3.均轉(zhuǎn)速運(yùn)行原理

均轉(zhuǎn)速也是1、2號(hào)電動(dòng)機(jī)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行方式之一，其簡(jiǎn)化框圖如圖3。

圖3均轉(zhuǎn)速運(yùn)行框圖

由圖3可知，兩套系統(tǒng)只需共用一個(gè)給定積分器，對(duì)應(yīng)兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)回路的兩個(gè)速度調(diào)節(jié)器給定來(lái)自同一個(gè)給定積分器的輸出值。因此，只要兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)速度反饋度相同，就能保證兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速相同。均轉(zhuǎn)速運(yùn)行的目的主要用于換繩工作狀態(tài)。應(yīng)當(dāng)注意：在系統(tǒng)均轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，由于1、2號(hào)電動(dòng)機(jī)各自實(shí)際承受負(fù)載的不平衡，兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)電流不一定相等。

4.單機(jī)運(yùn)行原理

1號(hào)或2號(hào)電動(dòng)機(jī)的單機(jī)運(yùn)行原理相似，現(xiàn)以1號(hào)電動(dòng)機(jī)單機(jī)運(yùn)行為例說(shuō)明，其方框圖如圖4。

圖4 1號(hào)電動(dòng)機(jī)單機(jī)運(yùn)行框圖

實(shí)際系統(tǒng)就是一個(gè)完整的雙閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)工作原理在許多直流調(diào)速系統(tǒng)中均有說(shuō)明，這里不再作詳細(xì)說(shuō)明。

5.電動(dòng)機(jī)的電氣制動(dòng)

（1）電氣制動(dòng)的目的。一是當(dāng)運(yùn)行人出現(xiàn)負(fù)力時(shí)，如果不加以制動(dòng)，鋼帶機(jī)的帶速將會(huì)越來(lái)越快，引起乘人超速，對(duì)人身安全構(gòu)成威脅。二是在要求停止情況下采用電氣制動(dòng)停車(chē)，可大大減輕機(jī)械損傷。

（2）電氣制動(dòng)原理。在本系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)及降速是采用改變電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流的方向，而使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩來(lái)實(shí)現(xiàn)。除運(yùn)行出現(xiàn)負(fù)力時(shí)進(jìn)行電氣制動(dòng)外，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)乘人一級(jí)越位、三項(xiàng)保護(hù)及潤(rùn)滑油壓失常等情況時(shí)，也采取電氣制動(dòng)停車(chē)以減少機(jī)械沖擊。

當(dāng)機(jī)尾或機(jī)頭發(fā)出開(kāi)車(chē)信號(hào)時(shí)，保護(hù)PLC對(duì)沿線保護(hù)和設(shè)備進(jìn)行自診斷，確定各保護(hù)都正常時(shí)給操作PLC發(fā)出指令信號(hào)，接到操作人員的操作信號(hào)時(shí)，操作PLC向電控系統(tǒng)發(fā)出開(kāi)車(chē)信號(hào)，觸發(fā)晶閘管進(jìn)行變頻調(diào)速。開(kāi)車(chē)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)軸編碼器，軸編碼器發(fā)出信號(hào)送到操作PLC，然后經(jīng)操作PLC傳輸?shù)奖Ｗo(hù)PLC，即可實(shí)現(xiàn)保護(hù)和監(jiān)控。若機(jī)頭或機(jī)尾不發(fā)出開(kāi)車(chē)信號(hào)，帶式輸送機(jī)就不能運(yùn)轉(zhuǎn)，即實(shí)現(xiàn)了信號(hào)與電控閉鎖方式。

三、結(jié)論

運(yùn)用該系統(tǒng)后，可使維護(hù)量大大降低，大部分故障能夠在電腦顯示器上直接顯示，減少了故障查找環(huán)節(jié)。采用電動(dòng)機(jī)電樞相互獨(dú)立、磁場(chǎng)串聯(lián)的運(yùn)行方式，可實(shí)現(xiàn)1、2號(hào)電動(dòng)機(jī)單機(jī)運(yùn)行和均轉(zhuǎn)速、均轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，系統(tǒng)控制精度高，操作簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，具有較強(qiáng)自診斷能力，能實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。出現(xiàn)負(fù)力時(shí)可自動(dòng)投發(fā)電反饋制動(dòng)，提高系統(tǒng)安全性，提高運(yùn)輸能力和功率因數(shù)，降低運(yùn)行費(fèi)用，大大減少故障時(shí)間，提高經(jīng)濟(jì)效益。

（作者單位：陜西彬縣煤炭有限公司）

（責(zé)任編輯：龐永厚）