基于PLC 的采煤机电控系统的设计与应用

郭 鹏

（同煤集团四台矿专职质检组，山西 大同 037000）

引言

采煤机作为影响煤矿生产效率的关键设备，具有先进可靠的电气控制系统尤为重要，可以提高设备的可靠性，保证设备的整机性能。目前采煤机使用的调速方式是滑差调速方式，接线复杂，且工作时周围环境比较恶劣，运行过程中大功率的变频调速装置会产生很强的电磁干扰，使电压出现大幅度的波动，还有电源污染、煤尘以及潮湿等诸多不利的因素[1-2]，都严重影响采煤机电控系统的稳定性和可靠性。

1 采煤机电控系统的结构框架

根据某矿井采煤机电控系统的实际应用情况，建立基于模块化结构设计的PLC 控制系统，结构主要包括多路直流电源控制组件、电流温度传感器、各个端头操作接口控制单元、无线遥控接收接口单元、显示控制单元以及PLC 模块，将各个模块通过现场总线连接起来，方便后续的检修和维修，系统结构的框架如图1 所示。

图1 电控系统结构框架

根据指示命令以及各个电机当前的温度、电流等参数，按照一定的算法规则对设备进行控制和保护[3]。通过操控控制面板，将各类信号处理后经32 点开关模拟量控制输入模块与PLC 的端口连接，配有4 路12 位模拟量输入/2 路模拟量输出模块，进行截割部电机和牵引部电机的电流信号采集和A/D 转换，根据变频器的输出频率对应调节牵引速度的信号，连接温度模块与截割部电机绕组和调速箱内温度检测热电阻，将电阻值转换成对应检测点处温度的数字量，变频器的上电、断电、牵引方向以及电磁阀电压调高信号通过16 点继电器信号输出模块输出，智能触摸屏显示器通过串联通信协议与PLC 上RS232 串口连接，主控制器通过CAN 总线与电流温度传感器连接，减少了连接电缆的数量，提高了系统的抗干扰能力。

由于采煤机机身两端头的控制站与PLC 控制器之间间隔较大，而要控制的项目繁多，因此需要对控制信号进行处理得到数字脉冲信号，经串行编码器编码后发送给控制箱。具体来说，对控制信号要先在端头操作接口控制单元处进行相应变化，然后再进入PLC 中处理；对于无线遥控信号要在无线接收单元接口处进行变频以及解码等处理，再进入PLC 中处理。PLC 系统的具体单元如下页图2 所示。

2 采煤机电控系统的软件设计

电控系统的软件设计主要包括控制算法和控制信息显示，控制算法主要采用梯形图形式进行编写，信息显示主要采用图形化编程方法来进行[4]。在优化设计时，电控系统中有10 路模拟量输入、1 路模拟量输出、39 点开关量输入输出是直接通过PLC 进行信号处理的。采用先入先出队列，为每路的模拟输入信号都设置单独的队列，尽可能减少长字的累加运算，在满足响应时间的条件下，降低对每路模拟信号进行滤波运算的次数，从而提高数字滤波的响应频率，通过实际测试运行，在采用此种计算方法后，选用0.4ms/每千步的PLC，仅用20ms 就可以将10 路8字以上深度的模拟均值信号进行数字滤波处理，比以前使用重复累加数字滤波算法的响应时间约快30%左右。同时，在设计时采用大型数组下标操作寻址方法，以提高数据寻址的效率，使程序更灵活。PLC 的整体程序流程如图3 所示。

图2 PLC 电控系统单元图

图3 PLC 程序流程总图

进行优化设计时，为了使程序结构看起来更清晰明了，调用子程序，不仅节省存储器资源，还使后期维护更方便，整个采煤机电控系统的PLC 控制程序包含1 个主程序和10 个子程序，每一个子程序都对应相应的功能，各个子程序的接口清晰。比如，在对模拟量数据进行预处理时，要编写相应的子程序，采用数组和移位的两种操作，对数据构建先入先出队列，并进行数字滤波处理，通过改变调用滤波的参数来自动调节数字滤波的时间常数。为了使采煤机能准确跟踪并及时记录电控系统的相关运行参数，要编写对数据整理、记录和回读的子程序，其中，数据整理子程序主要负责将要记忆的数据信息进行分析采集，并保存形成紧凑的数据记录文件格式；记录子程序主要负责将输出的一组数据利用数组功能，靠对数组下标的模运算，构成环形寻址，便于连续记录；回读子程序主要负责将记录的数据写入PLC中，实现数据的连续跟踪记录功能。

3 采煤机电控系统的无线通信模块

采煤机要实现全自动化割煤，就需要在控制台和采煤机上建立数据交互，采用无线波段进行通信，在工作时，由于开采工作面比较宽，且使用的液压支架数量也比较多，这些都会干扰无线信号的传输，如果在采煤机上安装很长的天线，一些机电设备的遮挡也会影响信号的传输。因此，根据矿井井下工作的复杂性和特殊性，综合考虑信号传输衰减和多途径的影响，要求无线通信装置的功率不能过大，因而采用多个无线传输分站进行信号传输，同时要尽量减少安装在液压支架下的布线和设备，将无线通信模块与工作面通信模块整合为一个系统，PLC 作为工作面通信系统的主机，也要对工作面组合开关进行控制，整个数据中心是一台隔爆型计算机，将计算机与PLC 通信作为上位机，用来显示系统的状态，同时控制相关设备，实现对工作面的集中控制。

4 应用效果

将该系统应用于某煤矿发现，基于PLC 的电控系统使采煤机的爬坡能力有所提高，在运行过程中平稳可靠，且安装简便，接线较少，容易进行安全检查和日常维护，维修费用有所降低，约减少16 万元/年，采煤效率有所提高，采煤产量约增加50 万t/年。