基于PLC的滾筒式采煤機電控系統的研究

胡云龍，趙四海，劉 博，張 帆，焦玲玉，李士寧

（中國礦業大學（北京），北京 100083）

0 引言

國內電牽引采煤機發展至今，在消化、吸收引進國外采煤機技術基礎上，進行二次開發和自主創新，擁有了許多具有自主知識產權的換代產品，在研制和開發上已取得了長足的進步[1]。但是同國際先進水平相比，仍然有較大的差距，主要集中體現在設備的性能、可靠性和智能化等方面，這些也就成了采煤機的研究重點[2]。采煤機電氣控制系統是煤機運行割煤的控制中樞，其性能的優劣直接影響煤炭生產的產量與效率。隨著裝機功率的不斷加大，運行速度的提高，先進可靠的采煤機控制技術是煤炭生產實現高產高效的一個關鍵[3]。

本文提出一種基于PLC 的滾筒式電牽引采煤機控制系統，通過通信接口RS485 豐富了人機界面和自動控制功能，采用液晶顯示屏實時顯示采煤機的工作狀態，對故障及時報警提示，并利用變頻控制牽引電機和遠程遙控裝置控制采煤機運行，操作簡單，系統穩定性能高，對提高采煤效率，減少人的勞動強度具有重要意義，對實現少人甚至無人開采提供借鑒。

1 采煤機的控制需求

滾筒式電牽引采煤機控制需求： ①開機時應具備預警功能和電機延時啟動；②設置門連鎖開關、急停按鈕和瓦斯斷電裝置；③能夠對系統各運行參數進行采集：電機電流、電機溫度、油壓等；④能夠在液晶顯示器中實時顯示采煤機當前的工作狀態；⑤超限保護： 當檢測到某運行參數超限時，能及時報警提示，并在液晶顯示器上指出故障位置[4]；⑥良好的人機界面，豐富的人機接口；⑦變頻調速裝置的最低輸出頻率應不高于3Hz，最高輸出頻率為基本頻率（50Hz）。

2 電控系統總體方案設計

2.1 電控系統方案設計

該系統是以可編程控制器PLC 為控制核心，通過PLC 控制中間繼電器，中間繼電器控制交流真空接觸器，達到控制截割電機的啟停；通過PLC 控制變頻器，變頻器控制牽引電機，達到牽引電機的加減速和往返運動；通過PLC 控制中間繼電器，中間繼電器控制電磁閥，達到控制采煤機左右搖臂的升降。采煤機電控系統組成框圖如圖1 所示，PLC 接收各個傳感器返回的檢測信號以及電機反饋的信號，對電機和電路進行保護。通過RS232通訊接口與本地操作站通信，實現對采煤機電控系統的各個狀態控制。通過RS485 通信接口實現與變頻器、顯示屏以及無線模塊的通信，達到對采煤機的變頻控制、實時顯示采煤工作狀態以及為遠程無線控制提供接口。

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

系統特點： ①采用PLC 控制系統，性能穩定；②7英寸液晶屏顯示界面，實時監控采煤機工況；③本地操作站帶有文本顯示，發送控制指令同時監測采煤機工況；④故障報警，在液晶屏和本地操作站均提示故障并蜂鳴器警告；⑤控制器具有過載、溫度、瓦斯、壓力、粘連等保護功能[5]；⑥系統、油泵電機、左右截割電機、左右牽引電機開機預警功能；⑦故障急停功能；⑧開機時具備預警功能和電機延時啟動功能；⑨主電路漏電閉鎖保護功能。

2.2 系統通訊網絡方案設計

本系統選用的PLC 主控器支持松下MEWTOCOL 協議和標準Modbus RTU 協議。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 工業總線，拓撲結構如圖2 所示。

3 電控系統硬件設計

采煤機電控系統主要由主回路、控制回路、保護回路、電源模塊以及顯示模塊等組成，完成采煤機電控系統各個功能。電控系統硬件組成如圖3 所示。

3.1 電源模塊

圖2 電控系統總線的拓撲結構圖Fig.2 Topological structure diagram of electric control system bus

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

本文所研究的MG170/410-WD 采煤機電控系統功率為410kW，電控系統各回路設計參數如下： 主回路：AC1140V，控制回路：AC220V、AC26V、DC24V、DC12V、DC5V，顯示回路：DC24V，保護回路：AC24V、DC24V、DC12V，瓦斯傳感器（本安參數）：Uo：12VDC，Io：350 mA。本安電源由橋式整流濾波電路、穩壓電路、二次過壓過流保護組成[6-7]。

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

3.2 PLC 選型

松下FPG-C32TH 是模塊化的PLC，用戶可根據實際需要自由組合CPU、A/D 轉換模塊、通訊插卡、I/O模塊等來實現所需功能。其中通訊插卡同時支持RS232和RS485 接口，并且支持標準Modbus RTU 通訊協議。本系統中選用A/D 轉換模塊FP0-A80 和通訊插卡FPGCOM4 AFPG806 與FPG-C32TH 組合。A/D 轉換模塊需要擴展三塊，主要連接傳感器輸出的模擬信號；FPGCOM4 具有RS232 和RS485 兩個接口通道。

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RS232 接口通訊，設置開機、復位、牽引電機初始化、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 個功能按鍵，實現對各電動機和電磁閥的控制并且能文本顯示電流、溫度、制動閥油壓、瓦斯濃度等監測數據，并能實現報警畫面跳轉。

3.4 人機界面選型

人機界面選用昆侖通態TPC7062KX，與PLC 通過RS485 接口通訊，用來顯示監測采煤機的工作狀態和參數，模擬動畫顯示采煤機動作部位，監測數據異常時改變模塊顏色報警。

3.5 遙控裝置設計

遙控裝置有機載收發裝置和遠程遙控器組成[8]，通過無線射頻識別技術發送和接受數據，模塊采用無線射頻模塊nRF24L01 來實現，機載收發裝置通過RS485 接口與PLC 通訊，遠程遙控器具有矩陣鍵盤和12864 顯示屏，能夠實現采煤機的遠程控制和工作狀態實時顯示。遙控裝置與本地操作站控制功能互鎖，使用時需要進行切換，控制功能按鈕設置和本地操作站一致。

3.6 變頻調速硬件設計

變頻器選用ABB 公司的ACS800，加裝Modbus 通訊模塊RMBA-01 來實現與FPG-C32TH 的通訊，RMBA-01 通過RS485 接口與AFPG806 的COM1 口連接，通訊協議采用標準Modbus RTU。

本系統變頻調速采用“一拖二”方式[9]，用2 臺變頻器分別驅動2 臺交流牽引電機，由兩臺牽引電機共同完成采煤機的行走。其中一臺變頻器為主變頻器，實施速度控制，其所驅動的電機為主電機，另一臺變頻器為從變頻器，實施轉矩控制，其所驅動的電機為從電機，實施轉矩控制。從變頻器通過光纖與主變頻器通信，實時跟蹤主變頻器的速度、轉矩和其他故障信息，保證了兩電機負載均衡和安全運行。

3.7 輸入輸出設計

輸入信號有開關量信號和模擬量信號[10]。開關量信號包括急停、瓦斯閉鎖、漏電閉鎖以及電機反饋信號和電機溫度信號，開關量信號不能直接輸入PLC，需要通過電磁繼電器進行隔離轉換才能傳送給PLC；模擬量信號主要采集傳感器信號，包括電機電流、油壓、機身傾角以及粘連信號和漏電信號，模擬信號通過安全隔離柵進行隔離轉換傳送給FP0-A80 模塊，最后傳送給PLC。

輸出信號只要開關量信號，輸出信號不能直接控制電機運行，需要經隔離轉換才能作用于電機，隔離元件可選用電磁繼電器和光電耦合器來實現信號隔離。

4 電控系統軟件設計

4.1 PLC 程序設計

系統程序流程圖如圖4 所示。PLC 程序使用松下編程軟件FPWIN GR 編寫，軟件中選擇PLC 類型為 “FPΣ 32K”，編程語言是梯形圖，其中X、Y 分別對應FPGC32TH 中開關量的輸入和輸出，R 是內部繼電器，DT是數據寄存器。

在編寫軟件前，FPWIN GR 需要先和PLC 通訊，用專用USB 編程電纜，在通訊設置中選擇C-NET 類型，對應好COM 口就能讀寫PLC 程序和在線運行監控。

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

RS232 的通信參數為： MEWTOCOL 協議；波特率為9600bps；8 位數據位，1 位停止位 ，奇校驗。RS485 通信參數為： Modbus RTU協議；波特率為19200bps；8 位數據位，1 位停止位，奇校驗。并且485通信時，在編寫程序時區分每個設備的地址。

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 發送和接收數據需要使用F145 和F146 指令編程。

圖4 系統程序流程圖Fig.4 System program flow diagram

4.2 人機界面程序設計

昆侖通態TP7062KX 通過MCGS 組態軟件編程，首先進行設備組態，在設備窗口中打開設備管理，添加通用串口父設備，子設備添加串口數據轉發設備，這樣就能將人機界面設置為從站，從站站號設置為3。打開通用串口父設備設置，基本屬性設置成與PLC 相同，通訊口選擇COM1，PLC 通訊口選擇COM1，對應的是RS485 通訊。通訊設置完畢進行畫面組態，組態畫面如圖5 所示。

顯示系統能實現電機電流的監測、傾角、壓力、溫度、液位等變量的監測，在組態軟件中顯示標簽采集Modbus RTU 協議中的4 區輸出寄存器，不僅能實時顯示數據，而且能設置超限標簽變色，實現報警功能；采煤機前進、后退、預警、滾筒升、降等控制信號采集Modbus RTU 協議中的0 區輸出繼電器，實現采煤機動作情況的顯示。

圖5 人機界面畫面Fig.5 The man-machine interface screen

4.3 本地操作站程序設計

本地操作站選用的MD204L文本顯示器，通過組態軟件TP200 編程，PLC 端通訊口選 擇COM2，MD204L通訊口選擇COM1，對應的是RS232 通訊。PLC 系統寄存器COM2 口設置通訊協議組態軟件中PLC 類型選擇 “松下 （FPM/FP1/FP0）”，其他設置和PLC 對應。

本地操作站能實現按鍵控制采煤機動作、實時監控、畫面跳轉報警、蜂鳴器報警等功能，通過對應PLC中的Y、R 繼電器以及DT 寄存器實現。

4.4 變頻器程序設計

PLC 對ACS800 的控制全部依靠通訊來完成，通過用RS485 總線連接通訊模塊RMBA-01 實現通訊功能。首先通過變頻器控制盤將波特率、數據位、校驗位、停止位等通訊參數設置對應好，左、右變頻器從站站號分別設置為1 和2，將控制電機啟停、速度的參數設置為通訊控制，電機運行方向設置為REQUEST（按需）。

PLC 將數據發送到變頻器Modbus RTU 地址40001來控制電機的初始化、啟動和停止，發送到40002 控制電機的轉速和方向；PLC 通過接收變頻器Modbus RTU地址40004 的數據來判斷電機的運行狀態，40005、40006、40010、40011 分別采集電機的速度、電流、功率和IGBT 溫度。

4.5 遙控裝置程序設計

遙控裝置程序有兩部分： 機載收發程序和遙控器程序。機載收發裝置程序設計流程圖如圖6 所示，主程序首先對芯片的初始化，等待系統中斷。射頻模塊信號接收采用中斷方式。一旦有中斷產生，CPU 進入工作模式，調用相應的中斷服務子程序進行中斷處理。接收采煤機狀態參數和遙控器發送的鍵值，校驗無誤后送射頻收發模塊發送到手持遙控器。中斷處理完成后再進入省電模式，以此循環。

遙控器控制程序與機載收發程序基本相同，它是向機載收發裝置發送鍵值，并接收機載收發裝置的采煤機狀態信號。

5 電控系統調試與實驗

當電控系統軟硬件設計完成并接線之后，需要調試系統。首先進行單個部分程序調試，之后進行聯機調試。本地操作站、變頻器、顯示器在與PLC 單個通信時能夠實現相應的功能，操作面板可以控制電機啟停，顯示器能夠顯示電機當前電流。在整體調試時，RS485 不能同時接收數據，所以試驗中設計RS485 發送程序的逐個循環發送，解決了問題能夠整體配合控制電機啟停變速和顯示。

本系統已在實驗室調試完成，能夠準確控制變頻器及電機的動作，并能夠實時顯示監測電機當前狀態和反饋數據。

圖6 機載收發裝置程序設計流程圖Fig.6 Airborne transceiver program design flow chart

6 結束語

基于PLC 控制的滾筒式電牽引采煤機電控系統實現了多種方式對采煤機進行控制——本地操作站、機身按鈕、遙控器，并且將采煤機運行過程中的監控數據實時反映到顯示器屏幕、本地操作站和遙控器，司機和工作面工人能夠及時發現報警并能迅速采取措施，使得采煤機異常時間大大縮短，延長了采煤機的壽命，工作效率提高。為未來實現少人甚至無人開采提供寶貴的實驗數據和經驗。

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