基于PLC 控制器的煤礦卡軌車控制系統研究

霍志峰

（山西新元煤炭有限責任公司， 山西 晉中 045300）

0 引言

煤礦開采過程中卡軌車是重要的輔助運輸裝備，其性能好壞會在一定程度上影響煤礦開采效率[1]。近幾年，隨著我國煤礦領域朝著機械化、自動化等方向發展，煤礦開采效率有了大幅度提升，礦井中的運輸系統任務日趨繁重[2]。礦井中比較傳統的蓄電池機車以及絞車由于運輸效率較低，難以滿足輔助運輸系統的實際要求。此時配套先進控制系統的煤礦卡軌車的優勢逐漸顯現，在礦井中的應用越來越廣泛[3]。基于先進的PLC 控制器設計研究了煤礦卡軌車控制系統，將其應用到工程實踐中，取得了良好的效果。對于提升卡軌車運行可靠性，保障煤礦運輸效率具有重要的工程實踐意義。

1 卡軌車系統概述

以KSD140J 型卡軌車為對象進行研究，利用PLC 控制器和變頻器設計了控制系統。該型號卡軌車的最大牽引力為140 kN，最長運輸距離為2 200 m，牽引速度和爬坡能力分別為0～3 m/s 和≤30°，主繩輪和尾繩輪的直徑分別為1 900 mm 和1 640 mm。設備中使用的電機主要有三個，分別為主電機、風冷電機和泵站電機，其中主電機的功率為280 kW，另外兩臺電機的功率均為3 kW，工作時的電壓均為660 V。為了對卡軌車的運行速度進行精確控制，需要使用變頻器配合PLC 控制器對設備進行精準控制[4]。為了保障變頻器的運行穩定性，要求具備有長時間過載運行的能力。

2 卡軌車控制系統主要硬件

2.1 PLC 控制器組成

PLC 控制器是整個控制系統中的核心構成部分，其性能好壞會對控制系統的運行穩定性和可靠性產生直接影響[5]。在分析不同類型PLC 控制器性能及價格的基礎上，選用的是西門子公司研制生產的S7-300 型PLC 控制器，該型號控制器在工業領域具有非常廣泛的應用，且應用效果良好，如圖1 所示為S7-300 型PLC 控制器的主要構成模塊。控制系統中的PLC 控制器采用冗余設計，即設置一個主用控制器，一個備用控制器。

由圖1 可知，基于PLC 控制器的控制系統采用模塊化思路設計，整個控制器由不同的模塊構成。其中CPU 模塊型號為6ES7315-2EH14-0AB0，具有豐富的接口，包括兩個DP 接口和兩個以太網接口，需要24 V DC電源進行供電。電源模塊型號為6ES7307-1BA01-0AA0，可以為包括CPU 在內的各模塊提供電源服務，輸出的電壓和電流分別為24 V 和2 A。數字量輸入和輸出模塊的型號依次為6ES7321-1BH02-0AA0 和6ES7322-1HH01-0AA0，可以完成16 點數字量的輸入或輸出，工作時電壓為24 V，前者主要是對各開關量信號進行采集，后者主要是對各開關閘閥進行驅動。模擬量輸入和輸出模塊的型號分別為6ES7321-7NF00-0AB0 和6ES7322-5HB01-0AB0，前者的作用是對各類傳感器的信號進行采集，后者的作用是輸出信號對變頻器進行控制。

2.2 外圍主要信號器件組成

1）光耦隔離電路板。隔離電路板的作用是對本安回路和非本安回路進行有效隔離，避免兩者之間相互影響，對系統的運行穩定性造成不良影響。比如操作臺下達的控制指令需要通過隔離電路板后再輸入到PLC 控制器中，圖2 所示為光耦隔離電路板引腳接線原理圖。

圖2 光耦隔離電路板引腳接線原理圖

2）溫度變送器。選用的溫度變送器型號為PT100，其原理是利用熱敏電阻將電動機中的溫度變化轉變成為電阻變化，再通過電路轉變成為標準的模擬量電壓信號。模擬量信號需要利用A/D 轉換模塊轉換成數字量信號后才能輸入到PLC 控制器。

3）配電器。選用的型號為DM355，作用是將一路電流信號經過轉換后輸出兩路一樣的電流信號。本系統中使用了兩套PLC 控制器，所以傳感器的檢測結果和開關信號需要轉換成兩路信號，分別輸入到兩個PLC 控制器中。

4）增量型軸編碼器。選用的編碼器型號為ZKT-15A-51.2B-G24C，需要利用24 V DC 電壓對其進行供電，其作用是對電機的輸出轉速進行測量。

5）頻率量輸入隔離柵。選用的設備型號為GS8054-EX，作用是對檢測到的脈沖信號進行隔離，避免對系統穩定性造成影響。

2.3 隔爆變頻器

結合實際情況選用的變頻器型號為D7260，屬于礦用隔爆安全型變頻器，主要為ABB 公司生產的產品，能滿足礦井復雜的工況環境。變頻器可以對啟動器的輸出信號進行采集，同時接受PLC 控制器的控制，對輸出電壓頻率進行調整，從而改變電機的輸出轉速。另外變頻器還可以對相關信號進行返回，比如變頻器自身的運行狀態、故障信號等，輸入到PLC 控制器中。

3 卡軌車控制系統的軟件程序設計

3.1 系統的總體工作流程

圖3 所示為基于兩個PLC 控制器的卡軌車控制系統總體工作流程。如圖3 可知，系統開始工作后，先對工作模式進行選擇，有兩種模式，分別為工作狀態和檢修狀態。進入工作狀態后需要選擇手動控制模式和自動控制模式。不管是何種控制模式，都需要在1號和2 號PLC 控制器中選擇一個對卡軌車進行控制運行。兩個PLC 控制器之間可實現數據交互，當其中一個控制器出現故障時，另一個控制器可立即投入使用，從而保障控制系統運行的可靠性。

圖3 控制系統的總體工作流程

卡軌車控制系統啟動運行時，需要控制相關設備依次啟動，啟動的順序依次為泵站、安全閘、變頻器、風冷電機、工作閘、主電機等，啟動過程中只有當前面設備正常運行后，后續設備才能開啟。當卡軌車需要停機處理時，控制系統同樣需要對上述設備依次進行停機處理，順序正好與上述相反。

3.2 系統運行主界面設計

圖4 所示為煤礦卡軌車控制系統運行時的主界面圖。該界面不僅可以對卡軌車運行時的關鍵狀態參數進行顯示，比如可以顯示主電機和減速機的溫度、設備運行速度和主電機轉速等數據，還可以對卡軌車的運行情況進行控制，比如控制卡軌車的前進和后退，切換1 號和2 號PLC 控制器的運行情況等。

圖4 卡軌車控制系統運行主界面

4 控制系統的應用效果分析

將設計的基于S7-300 型PLC 控制器的控制系統安裝到煤礦卡軌車工程實踐中，現場對控制系統的各項功能進行調試后正式投入使用。調試過程中發現控制系統中設置的兩套PLC 控制器能夠正常切換，通過控制器的冗余設計，能極大提升控制系統運行的可靠性。目前，控制系統在卡軌車中的運行時間超過半年，經現場技術人員反饋，控制系統整體運行良好，能對卡軌車的運行過程進行穩定和準確地控制。控制系統的成功投入應用，使卡軌車的運行效率提升了15%以上，設備故障率降低了10%以上，為煤礦企業創造了良好的經濟效益。

5 結語

以煤礦中使用的卡軌車為研究對象，利用PLC控制器設計了卡軌車的控制系統，將其應用到工程實踐中，效果良好。所得結論主要有：設計的控制系統以PLC 控制器為核心，且采用冗余設計，通過使用兩套PLC 控制器來提升控制系統運行的可靠性；系統利用傳感器和開關對設備的運行狀態進行檢測，同時使用隔離電路板和隔離柵等裝置對信號進行隔離，提升系統運行的穩定性；系統在啟動和停機過程中，按照順序依次對各個裝置進行啟動和停機處理；將設計的控制系統部署到煤礦工程實踐中，經現場運行后發現整體性能良好，為企業創造了良好的經濟效益。