成莊礦刮板輸送機(jī)電氣系統(tǒng)改進(jìn)方案

郭曙光

(山西晉城煤業(yè)集團(tuán)成莊礦,山西 晉城 048021)

1 概述

刮板輸送機(jī)是煤礦、選煤廠以及電廠等行業(yè)重要的運(yùn)輸設(shè)備。刮板輸送機(jī)一般設(shè)計(jì)的環(huán)形長度約80m左右，機(jī)頭和機(jī)尾都裝配有電機(jī)，在傳統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)中，機(jī)頭部分、機(jī)尾部分以及中部槽中都裝有控制器，此設(shè)計(jì)成本較大，電氣線纜鋪設(shè)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(jī)的電氣系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，只在機(jī)頭部分安裝主控制器，以CAN通信的方式實(shí)現(xiàn)對刮板輸送機(jī)的電氣控制。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

圖1 刮板輸送機(jī)電氣系統(tǒng)改進(jìn)方案系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3 硬件設(shè)計(jì)

成莊礦刮板輸送機(jī)使用的核心硬件主要是PLC控制器以及擴(kuò)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(shí)鐘頻率為400MHz，有256MB的閃存，有64MB的RAM有一個(gè)Ethernet 10/100MBit/s的網(wǎng)絡(luò)通訊接口，一個(gè)支持CAN的通訊接口。在本設(shè)計(jì)中需要擴(kuò)展CAN通訊接口，使用的擴(kuò)展模塊為EL6751，該擴(kuò)展模塊可以擴(kuò)展出一個(gè)CAN通訊接口。CX8050采用TwinCAT PLC軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，一般采用ST語言進(jìn)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(jìn)行CAN通訊時(shí)，采用屏蔽線，并且使用CAN通訊隔離柵對CAN通訊信號進(jìn)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(shè)計(jì)

4.1 PLC程序設(shè)計(jì)

本文提出的成莊礦刮板輸送機(jī)電氣系統(tǒng)改進(jìn)方案的軟件設(shè)計(jì)一共分為八個(gè)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(jī)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(jī)界面上提示通訊故障；“與中部槽通訊過程”、“與機(jī)尾通訊過程”、“與人機(jī)界面通訊過程”、“與機(jī)頭變頻器通訊過程”以及“與機(jī)尾變頻器通訊過程”該五個(gè)功能塊主要完成CAN通訊過程，包括CAN通訊的啟動(dòng)、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(jī)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(yuǎn)程/本地操作控制、單機(jī)/聯(lián)鎖控制等功能；“電機(jī)控制”主要完成對機(jī)頭電機(jī)和機(jī)尾電機(jī)的啟動(dòng)、停止、加速、減速等控制；“保護(hù)控制”主要完成對電機(jī)過流、過載、缺相、斷相、兩相粘連等保護(hù)功能。在進(jìn)行PLC程序設(shè)計(jì)時(shí)，上述八個(gè)功能塊都各自作為一個(gè)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(shí)都非常的方便。

圖2 PLC程序設(shè)計(jì)

4.2 CAN通訊設(shè)計(jì)

在CAN通訊設(shè)計(jì)中，將機(jī)頭核心控制器作為CAN通訊的主站，機(jī)頭變頻器作為2號從站，機(jī)尾變頻器作為3號從站，中部槽作為4號從站，機(jī)尾作為5號從站，人機(jī)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(biāo)準(zhǔn)幀格式。在進(jìn)行CAN通訊時(shí)，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(gè)，由于篇幅所限，以下僅給出核心控制器與變頻器以及人機(jī)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(gè)變頻器，即機(jī)頭變頻器和機(jī)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(jī)頭核心控制器與2號變頻器從站的CAN通信協(xié)議。

表1 機(jī)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(zhuǎn)矩控制與轉(zhuǎn)速控制，表1中的“控制方式”為一個(gè)宏，即PLC控制器對變頻器的控制既可以是轉(zhuǎn)矩控制也可以是轉(zhuǎn)速控制，相應(yīng)的“加速時(shí)間”和“減速時(shí)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(jī)界面的CAN通訊協(xié)議

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

表3 機(jī)頭核心控制器與6號人機(jī)界面的CAN通信協(xié)議

5 人機(jī)界面

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

6 結(jié)語

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

圖3 刮板輸送機(jī)的人機(jī)界面