煤矿自动装车系统中PLC的应用及设计

2015-08-15张亮亮

机械管理开发 2015年9期

张亮亮

（大同煤矿集团雁崖煤业公司电气区，山西大同 037000）

引言

通过PLC实现煤矿生产的自动化已经成为一种趋势，利用PLC控制器构建自动化的控制系统，可以有效提升煤矿生产的效率，减少煤矿生产的易发事故，进而实现煤矿生产经济效益显著提升。PLC自动控制系统可以分为硬件和软件两个层面，进行自动化系统构建，需要从两个层面入手，逐一实现自动化。

1 PLC概述

PLC的应用范围十分广泛，不论是煤矿生产，还是机械加工，都可以通过PLC构建自动化的控制系统，实现生产自动化［1］。PLC又称为可编程逻辑控制器，通过编制逻辑程序，对硬件动作进行条件限制，进而实现生产控制自动化。PLC基于二进制运算，可以将脉冲信号转化为数字信号，通过运算软件对数字信号进行分析处理，再转化为脉冲信号实现输出。在某种程度上来说，PLC和计算机比较相似，都是由CPU、输入、输出、储存器和电源这五个部分构成的［2］。

实现PLC自动控制，对于煤矿生产具有积极作用。首先，通过PLC自动控制系统可以实现煤矿生产作业自动化，减少人力投入，相应地就可以减少人为因素对煤矿生产形成的影响，提升煤矿生产安全程度。其次，通过PLC自动控制系统可以提升煤矿生产各个环节的衔接度，实现煤矿生产各环节的高效衔接，提升煤矿生产效率。最后，通过PLC自动控制系统可以实现变频控制，根据实际工作需求自动调整机械运行状态，降低机械运行过程的能耗，有助于提升企业经济效益。

虽然PLC自动控制系统的功能强大，并且在许多领域都有十分广泛的应用。但是，PLC系统相对来说也是比较脆弱的，容易受到各种内部因素和外部因素的干扰，进而导致程序执行出现错误，自动化功能受到阻碍。比如，温度因素会影响传感器的精确度和灵敏度，电磁因素会影响数据信号传输的稳定性和可靠性，煤矿井下的安全因素可能导致PLC系统硬件受到破坏。所以，在构建PLC自动控制系统时，应当充分考虑各种影响因素，做好相应的应对措施，将外界因素和内部因素的干扰降至最低，确保PLC系统能够发挥出根本效用。

2 PLC自动装车系统的原理和功能

根据煤矿装车系统运用的实际情况，主要是由皮带机、皮带秤、给煤机、煤仓、电子轨道等部分组成的。具体工作流程为：运煤车进入煤仓，在电子轨道上稳定停止，通过传感器传输控制信号，输送机和给煤机启动，将煤装入运煤车中。通过皮带秤对煤量进行监测，在达到设定值时，控制系统发出终止指令，皮带机和给煤机停止运转。这一过程就实现单节车厢装煤，只需重复这一过程，就可以实现整列运煤车自动装煤。根据装车系统的基本工作流程来看，进行PLC自动装车系统设计时，应当满足以下几个方面的基本功能［3］。

1）装车具体流程中，PLC自动控制系统需要采集皮带煤流流量、电子轨道负重、煤仓运行状态、给煤机运行状态以及皮带机运行状态等多个数据信息。因此，在构建PLC自动控制系统，需要在这些部位上加装适量的传感器用于采集数据。

2）实现自动控制功能需要一个集中控制室，能够对传感器回传数据进行全面分析处理，并根据结果分析处理发出对应指令。构建集中控制室，可以将自动装车系统各个环节的工作集中到一起，实现精细快速高效地控制，有利于生产一体化构建。

3）PLC自动控制系统的各个部分具有联锁功能，相关操作应该根据合理的顺序进行，不能出现越权操作，比如启动、停机等。

4）PLC自动控制系统构建过程中，应当实现三种控制手段，即可以通过PLC系统自动控制、现场就地控制以及手动控制这三种方式对装车系统实现可靠的控制。

5）PLC自动控制系统应该具有故障诊断、自动报警、数据生成等一系列基本功能，实现自动装车系统安全、可靠、稳定运行。

3 PLC自动装车系统的硬件组成和软件设计

3.1 硬件组成

硬件组成是PLC自动装车系统构建的基本前提，一般来说可以分为三个环节，即PLC选型、I／O模块设计和外部接线。

PLC选型就是根据自动装车系统的构建要求，选择适当的功能模块。由于自动装车系统主要是通过开关量控制实现控制任务，因此需要选择具有A／D转换输入模块和D／A转换输出模块的控制器，同时还需选择相对应的各型传感器，诸如压力传感器、温度传感器等。具体型号可以选择SMATIC S7－300型的PLC，结构优良，坚固耐用，并且具有良好的通讯能力和扩展能力，非常适用于煤矿自动装车系统构建。

I／O模块设计需要着重考虑监控状态量，根据实际情况而言，主要应该监控以下状态量：一是对煤仓煤量利用料位进行监控；二是利用温度传感器对电机的转子、轴承、绕组等部件的温度进行监控；三是对主回路、控制电路的电压、电流等进行监控；四是对给煤机、绞车、皮带机等设备的运行状态进行监控；五是对集控中心的指令通过控制模块进行传输，实现自动化控制。

外部接线应该根据实际情况进行，总的来说主要包括了以下几个方面：一是电源选用，通常使用220V的交流电源作为PLC电源，为了防止供电出现波动，可以设置隔离变压器，并且需要设置独立断路器；二是接地处理，对于PLC而言，基本上可以不进行接地处理，但是，如果接地条件存在，则应该尽量进行接地处理，确保PLC系统安全，提升其抗干扰能力；三是PLC可以和电流型设备连接，但不可与电压型设备连接。尤其是在设计I／O时，需要充分考虑设备兼容性以及电流、电压的影响；四是漏电流可能对PLC输出造成影响，可以并联旁路电阻到负载两端，以此削弱PLC受到的影响。

3.2 软件设计

PLC软件和上位软件构建煤矿自动装车系统的两个重要部分，其中PLC程序编制是关键重点。

PLC程序编制应该根据选用的PLC控制器进行，常用的程序编制模式为梯形图，通过逐级的逻辑程序控制，实现装车自动化。设计PLC程序的途径有两种：一是先进行硬件组态，再进行程序编制；二是先进行程序编制，在进行硬件组态。两种方式各有优劣，但是对于煤矿自动装车系统而言，先进行组态，再进行程序编制，可以简化程序编制的难度。具体来说，程序编制的逻辑流程为：程序初始化→信号采集→是否自动→（是）控制策略→是否装满→（是）挡板正转→绞车工作→最后一节→（是）车满→（是）结束程序。这就是一个完整的正常的自动化逻辑控制程序。

上位机软件可以使用WinCC进行设计，优化煤矿自动装车系统的监控能力，以便对给煤机、皮带机等设备的运行状态进行实时全面显示。通过主界面，还可以实现煤矿自动装车系统的手段控制及自动控制，根据车中煤量、煤车位置、电机状态等对系统进行控制，达成最优工作状态。上位机可以通过两台工控机进行组合，其中之一发生故障时，另一台可以进行硬件冗余，确保系统运行稳定正常。通过PLC软件程序编制和上位软件设计，可以构建完善的PLC自动控制系统，对煤矿装车系统实现自动化构建。