基于S7-1200 PLC的礦用電纜卷放車自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

喬冬青，閆孝姮

(1.神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 準(zhǔn)格爾 010300；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105)

礦用電鏟作為露天礦間斷與半連續(xù)開采工藝系統(tǒng)中不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備，在礦山采掘及剝離作業(yè)中，其工作量通常約占整個(gè)項(xiàng)目工作總量的50%，電鏟供電的可靠性直接影響開采工作的效率[1-2]。電纜卷放裝置可以有效減少因電鏟行走作業(yè)、臺階掉塊、鏟車碾壓造成的供電電纜拖拽磨損及接頭老化、絕緣層損傷等問題，提高電鏟用電可靠性[3]。目前，國內(nèi)大型露天礦使用電纜卷放裝置多為通用型，構(gòu)造簡單、可容納電纜米數(shù)短、自動化水平低、需要人工輔助完成，例如爬犁和鏟車自帶尾繩卷筒，卷纜速度難以匹配電鏟行走工作且存在安全隱患[4]。卷纜裝置研究日益成為國內(nèi)煤礦企業(yè)關(guān)注項(xiàng)目，卷纜裝置電氣控制系統(tǒng)的應(yīng)用保證了露天礦開采的工作質(zhì)量，降低了工人工作強(qiáng)度，提高了安全系數(shù)和生產(chǎn)效率[5-6]，其應(yīng)用市場前景廣闊。國內(nèi)對礦用電纜卷放車控制系統(tǒng)研究主要集中在液壓驅(qū)動系統(tǒng)自動化方向[7-8]，缺少針對多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的完整電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。針對這一問題，本文提出一種基于S7-1200的電鏟用千米帶電電纜卷放車電氣控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)匹配電鏟行走、自動收放電纜、實(shí)時(shí)監(jiān)測現(xiàn)場數(shù)據(jù)、快速響應(yīng)外部環(huán)境變化的功能，提高了采煤作業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和安全性能。

1 系統(tǒng)控制需求分析和實(shí)現(xiàn)原理

千米帶電工作電纜卷放車可在礦用交流電源供電條件下正常使用，其電纜容納能力達(dá)到1 000 m及以上，可完全取代既有的爬犁車和電纜滾筒，電纜卷放車一端通過電纜連接35/6.3 kV移動變電站，另一端連接電鏟向其供電，其體積遠(yuǎn)小于電鏟，最大程度降低對電鏟回轉(zhuǎn)、采裝及卡車通行造成的影響[9-10]。依據(jù)電纜卷放車的工作要求，其電氣控制系統(tǒng)主要以S7-1200為核心，具有各類電機(jī)的啟停、保護(hù)和故障報(bào)警、人機(jī)界面監(jiān)測與顯示、自動匹配行走、智能化布線、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)保護(hù)和故障報(bào)警、比例電磁閥調(diào)度、液壓驅(qū)動系統(tǒng)控制、壓緊電纜裝置分級調(diào)控等基本控制功能以及遠(yuǎn)程遙控、紅外攝像功能。

控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。①系統(tǒng)層以S7-1200為控制核心，各子系統(tǒng)程序驅(qū)動對應(yīng)硬件動作，同時(shí)通過以太網(wǎng)與上層軟件對接，可有效調(diào)動機(jī)載設(shè)備完成現(xiàn)場工作。②應(yīng)用層與實(shí)際設(shè)備實(shí)現(xiàn)對接，通過人機(jī)交互界面可實(shí)時(shí)監(jiān)測各設(shè)備運(yùn)行情況并可遠(yuǎn)程遙控電纜卷放車行走、布線等功能，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用開發(fā)對設(shè)備驅(qū)動的調(diào)用。③通信層主要為上傳卷放車使用時(shí)間、故障情況、位置信息等數(shù)據(jù)，便于統(tǒng)一管理和故障維修。

圖1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理Fig.1 Principle of system implementation

2 控制系統(tǒng)配置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)集控中心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。集控中心控制器選擇S7-1200 CPU1214。控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)Fig.2 Hardware architecture of control system

S7-1200可編程序控制器結(jié)構(gòu)緊湊、組態(tài)靈活、功能全面，可在較長時(shí)間內(nèi)保證可靠安全。集控中心的人機(jī)交互界面，使用WinCC人機(jī)交互顯示系統(tǒng)，通過開放接口和操作系統(tǒng)連接，上位機(jī)監(jiān)控畫面上顯示各子系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，便于對電纜卷放車工作狀態(tài)監(jiān)控和實(shí)時(shí)調(diào)控[11-13]。此外，電流、電壓、溫度、開關(guān)閉合狀態(tài)等安全回路信號也實(shí)時(shí)顯示在監(jiān)控畫面上，當(dāng)系統(tǒng)存在安全隱患或開關(guān)狀態(tài)異常，及時(shí)作出干預(yù)，避免安全事故的發(fā)生。集控中心的S7-1200通過以太網(wǎng)與上位機(jī)鏈接，集控中心通過交換機(jī)以及其他連接設(shè)備與其余子系統(tǒng)相連接，經(jīng)交換機(jī)和S7-1200處理，向各子系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出作業(yè)指令，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

(2)行走卷纜子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。行走卷纜子系統(tǒng)主要由電纜卷放車上下輥架的壓力傳感器、距離傳感器、變量泵、排量950 mL/r行走變量電機(jī)和排量1 730 mL/r卷筒變量電機(jī)構(gòu)成。I/O控制主要包括啟停行走變量電機(jī)、啟停卷筒變量電機(jī)等，控制監(jiān)測內(nèi)容主要為電纜卷放車與電鏟車距離、上下輥架壓力數(shù)值等。所有傳感器均為本安設(shè)備，輸入電流范圍為0.5～4.0 mA，電流信號輸入S7-1200模擬量輸入模塊SM1231，經(jīng)S7-1200內(nèi)部程序處理判斷，輸出電信號，經(jīng)比例控制閥轉(zhuǎn)換賦給變量泵和變量電機(jī)的比例電磁鐵，實(shí)現(xiàn)具體功能。

(3)自動排線子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。排線子系統(tǒng)由計(jì)數(shù)傳感器、限位傳感器、160 kW功率電機(jī)、減速伺服電機(jī)、排線器等組成。通過電纜卷筒上的計(jì)數(shù)傳感器感應(yīng)卷筒外殼上通風(fēng)孔的數(shù)量，將計(jì)數(shù)器信號接入S7-1200模擬量輸入模塊SM1231，經(jīng)過模擬量處理模塊轉(zhuǎn)換得到數(shù)字量，通過S7-1200內(nèi)部判斷后控制電機(jī)，進(jìn)而控制減速伺服電機(jī)和反轉(zhuǎn)伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)排線器運(yùn)動速度調(diào)節(jié)和往復(fù)運(yùn)動。

(4)壓緊電纜子系統(tǒng)。壓緊電纜子系統(tǒng)由外接支撐架、壓輥架、可伸縮油缸、彈簧、壓力傳感器等構(gòu)成。彈簧連接在外接支撐架和壓輥架之間，2個(gè)壓力傳感器分布在彈簧周圍，用于檢測彈簧伸縮程度，按照設(shè)定的壓力數(shù)值控制可伸縮油缸動作，使壓輥架按需求下壓電纜緊實(shí)排線。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)

通過上述對各個(gè)系統(tǒng)的功能及配置的分析與設(shè)計(jì)，主要對行走卷纜子系統(tǒng)、自動排線子系統(tǒng)及壓緊電纜子系統(tǒng)的軟件編程提供思路。軟件設(shè)計(jì)主要是根據(jù)控制要求來完成對3個(gè)子系統(tǒng)(控制行走卷纜子系統(tǒng)、自動排線子系統(tǒng)、壓緊電纜子系統(tǒng))功能的程序編寫，并能夠在系統(tǒng)欠壓、失壓、短路、過載時(shí)及時(shí)停機(jī)并聲光報(bào)警。

(1)行走卷纜子系統(tǒng)。針對采集到的距離傳感器和壓力傳感器信號處理結(jié)果，利用S7-1200操控卷筒電機(jī)和行走電機(jī)啟停、正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電纜卷放車匹配電鏟車同步行走并自動收放電纜。行走卷纜功能可以集控、單控，并附以遙控設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，滿足了復(fù)雜多變的工業(yè)需求。

(2)自動排線子系統(tǒng)。采用集控、單控和遠(yuǎn)程遙控控制方式，根據(jù)計(jì)數(shù)傳感器采集到的卷筒外側(cè)通風(fēng)孔的數(shù)量確定電纜在卷筒1周纏繞的進(jìn)度，經(jīng)S7-1200處理后控制減速機(jī)和排線伺服電機(jī)啟動，確保電纜纏繞卷筒1周，排線器移動1個(gè)線徑的匹配速度，同時(shí)根據(jù)限位傳感器采集到的排線器的位置控制排線伺服電機(jī)正反轉(zhuǎn)。

(3)壓緊電纜子系統(tǒng)。采用單控和遠(yuǎn)程遙控的控制方式，壓緊電纜的輥架可以一鍵控制啟停，根據(jù)S7-1200處理后的壓力傳感器數(shù)值設(shè)定對應(yīng)輥架和固定支架連接處的可伸縮油缸參數(shù)，實(shí)現(xiàn)4層電纜均壓緊壓實(shí)。為保證系統(tǒng)安全運(yùn)行，配備報(bào)警聯(lián)動功能，在生產(chǎn)過程中，若子系統(tǒng)參數(shù)超過設(shè)定閾值，相應(yīng)界面上報(bào)警指示燈閃爍提示，以便運(yùn)行人員及時(shí)做出處理。

4 監(jiān)控界面開發(fā)

上位機(jī)監(jiān)控畫面實(shí)現(xiàn)了對電纜卷放車運(yùn)行狀態(tài)的綜合監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制，進(jìn)而提高了電纜卷放車的自動化水平。本設(shè)計(jì)選用與S7-1200有極高兼容性的WinCC組態(tài)軟件對監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)[14-15]，其中軟件上位機(jī)界面如圖3所示。

WinCC畫面顯示各子系統(tǒng)工作狀態(tài)和采集到的距離、各類壓力傳感器數(shù)值等工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，便于工作人員直接監(jiān)視。同時(shí)將各類歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，生成數(shù)據(jù)庫，供運(yùn)行人員查看、調(diào)用、制作圖表并分析總結(jié)。報(bào)警聯(lián)動功能實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)故障實(shí)時(shí)顯示、切除。電纜卷放車子系統(tǒng)發(fā)生異常啟動報(bào)警信號后，操作員界面會切換到相應(yīng)監(jiān)控畫面窗口，顯示異常數(shù)據(jù)，提高了管理者決策依據(jù)準(zhǔn)確性，降低了安全決策風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了千米級露天礦用電纜卷放車電氣控制系統(tǒng)，完成了集控中心、行走卷纜子系統(tǒng)、自動排線子系統(tǒng)、壓緊電纜子系統(tǒng)的硬件配置，編程實(shí)現(xiàn)了行走卷纜子系統(tǒng)和自動排線子系統(tǒng)集控、單控和遠(yuǎn)程遙控，壓緊電纜子系統(tǒng)單控、遠(yuǎn)程遙控多種控制方式。開發(fā)和設(shè)計(jì)了良好的上位機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場工作狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測和遠(yuǎn)程遙控。應(yīng)用研究表明，該系統(tǒng)提高了煤礦產(chǎn)量和工作效率，有利于降低勞動強(qiáng)度和生產(chǎn)成本。

圖3 電纜卷放車上位機(jī)界面Fig.3 Upper computer interface of cable winding car