礦山用防爆膠輪車PLC電控系統設計

馮建英，王 鍇

(山西省能源發展中心，山西 太原 030006)

0 引言

隨著自動控制技術的飛速發展與進步，用戶對礦山用防爆膠輪車電控系統使用性能的要求不斷提升，原電控系統逐漸暴露出以下問題：①系統的控制功能單調，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燈狀態表示，無法提供更多的信息和更為詳細的運行狀態；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整個控制系統由硬件組成，往往牽一發而動全身，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使用性能要求的不斷提升，本文基于PLC設計了礦山用防爆膠輪車控制系統，以實現安全、可靠、先進、簡單的目的，實現人機對話、故障的預診斷和分析、黑匣子等功能。

1 礦山用防爆膠輪車PLC電控系統配置

以安全、可靠、先進、簡單的設計理念設計的基于PLC的礦山用防爆膠輪車控制系統由可編程控制器PLC、開關量隔爆/本安轉換板MD1、頻率隔爆/本安轉換板MD2、模擬量本安轉換板MD3、繼電器隔離輸出板JD1和JD2及外圍I/O設備組成，所有器件均置放于隔爆電控箱內，如圖1所示。控制系統與危險區的隔離主要依靠各個隔爆/本安、隔爆/隔爆轉換板進行隔離，本安設備使用的本安電源由各隔離轉換板自行或分別(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。外圍的開關量設備由開關量隔爆/本安轉換板MD1上的DC/DC變換器轉換成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，其余開關量分為兩組，每組最大為8路開關量輸入，最大電流為100 mA。各開關量通過MD1板直接將轉換的信號送到PLC的相應輸入點，供PLC監測和控制使用。

圖1 基于PLC的礦山用防爆膠輪車控制系統配置

外圍頻率信號主要有發動機轉速信號、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高速計數器接口的最高輸入頻率為20 kHz。頻率隔爆/本安轉換板MD2分別對3路頻率信號提供12 V、50 mA(發動機轉速信號，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量信號，分別將這些信號轉換后送到PLC的高速計數器輸入點，供PLC監測和控制使用。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)將數據送到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的對應輸出點連接。

觸摸屏與PLC由通訊口隔離模塊TX0與PLC進行數據交換，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 設備及模塊選型

2.1 PLC的選擇

選用德國SIEMENS公司生產的小型可編程器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個開關量輸入點，20個開關量輸出點，2個RS485通訊口。

2.2 開關量隔爆/本安轉換板MD1

MD1板主要是將外圍本安開關信號轉換成與PLC輸入點相適應的信號，實現本安/隔爆之間的信號隔離和轉換。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/本安轉換板MD2

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

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 模擬量本安轉換板MD3

MD3板的主要作用是將現場監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轉換，然后將轉換后的數字量通過隔離通訊方式傳送到PLC的PORT1通訊口。MD3板的設計是在本安方式下先進行AD轉換，然后將數字量直接送到PLC。AD信號板自制，采用一塊單片機控制數據的采集和發送，將處理好的數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、數據變換部分、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主要實現對現場執行元件(燈、閥等)的控制和控制功率的轉換及信號的隔離，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電控系統實現的功能

(1) 正常的操作運行：即實現人機對話和開車必須的邏輯聯鎖關系以及對外圍I/O設備的監測和控制。

(2) 故障的預診斷和分析：采用計算機技術，實現了故障的預診斷和分析。故障預判，即提前發出報警信號，能夠使操作者及時采取措施，避免事故的發生。故障分析，即當故障發生時，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：系統可以提供10天以上的設備運行記錄，包括啟停時刻、車輛運行軌跡再現、各種狀態(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 結語

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