朱 丹,羅 琛

(1.陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)踐教學(xué)管理處, 陜西 咸陽(yáng) 712000) (2.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司, 陜西 咸陽(yáng) 712000)

采煤機(jī)是煤炭開(kāi)采重要的機(jī)械設(shè)備之一,提升采煤機(jī)自動(dòng)化水平對(duì)于提高煤炭開(kāi)采效率、保障采煤作業(yè)安全以及節(jié)省人力成本具有重要的工程實(shí)際意義[1]。因此,對(duì)采煤機(jī)電控系統(tǒng)自動(dòng)化、信息化和智能化的研究是一個(gè)非常重要的課題。該課題近年來(lái)也受到相關(guān)學(xué)者的廣泛重視[2-3]。

電控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自動(dòng)化的關(guān)鍵子系統(tǒng)。目前,應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的采煤機(jī)電控系統(tǒng)大多采用各功能模塊單獨(dú)設(shè)計(jì)的方式,導(dǎo)致采煤機(jī)整機(jī)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度較低[2,4-5]。針對(duì)該問(wèn)題,本文以可編程邏輯控制器(programmable logic controller, PLC)和工業(yè)計(jì)算機(jī)為核心,對(duì)MG400/930-WD型采煤機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),最終實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)的本地操控、故障診斷、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及遠(yuǎn)程操控等功能的集成,極大提高了采煤機(jī)作業(yè)的自動(dòng)化水平。

1 采煤機(jī)電控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文通過(guò)調(diào)研,分析了采煤機(jī)電控系統(tǒng)的功能需求和安全邊界,并且以此為基礎(chǔ)確定了采煤機(jī)電控系統(tǒng)的優(yōu)化方案和設(shè)計(jì)思路[6]。以MG400/930-WD型采煤機(jī)為例,對(duì)電控系統(tǒng)功能需求和安全邊界進(jìn)行說(shuō)明:1)當(dāng)采煤機(jī)啟動(dòng)、換向、急停時(shí),需要具有報(bào)警功能,并能將報(bào)警信息實(shí)時(shí)傳輸給井下操作人員,便于井下操作人員實(shí)時(shí)掌握工況環(huán)境和應(yīng)急處理方案;2)需安裝不同類型傳感器,實(shí)現(xiàn)對(duì)井下環(huán)境的實(shí)時(shí)檢測(cè),具體物理參數(shù)包括甲烷濃度、電機(jī)溫度、電機(jī)速度、油壓等;3)對(duì)采煤機(jī)的各電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并顯示,并能將歷史數(shù)據(jù)保存到計(jì)算機(jī)便于后續(xù)數(shù)據(jù)處理和分析;4)采煤機(jī)的啟停不僅可以通過(guò)固定操作站控制,還能夠通過(guò)遠(yuǎn)程控制;5)牽引電機(jī)能夠通過(guò)變頻調(diào)速控制;6)能夠?qū)崿F(xiàn)故障報(bào)警。根據(jù)上述功能需求和安全邊界,梳理出采煤機(jī)電控系統(tǒng)的架構(gòu),采煤機(jī)電控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖可知,電控系統(tǒng)以PLC和工控機(jī)為控制核心,PLC輸出的數(shù)字量可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥的控制,從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)搖臂電機(jī)和截割電機(jī)的啟停控制。變頻器通過(guò)接收PLC發(fā)送的控制指令,調(diào)節(jié)牽引電機(jī)的速度。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境參數(shù)的在線適配功能,PLC需要采集模擬量電流、油壓和電機(jī)溫度等信息,并通過(guò)運(yùn)算處理實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)設(shè)備的控制。采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)經(jīng)PLC處理發(fā)送給人機(jī)終端后,再通過(guò)人機(jī)界面顯示采煤機(jī)的工作狀態(tài)和參數(shù)。

PLC包含模擬量輸入端、數(shù)字量輸入端、數(shù)字量輸出端以及通信接口。模擬量輸入端連接不同類型的傳感器,包括4個(gè)電流互感器、1個(gè)壓力傳感器、4個(gè)溫度傳感器,完成對(duì)電機(jī)電流、油壓、電機(jī)溫度等的實(shí)時(shí)檢測(cè)。數(shù)字量輸入端通過(guò)檢測(cè)所接收的數(shù)字量信號(hào)完成電氣設(shè)備漏電檢測(cè)、截割電機(jī)啟?？刂?、采煤機(jī)啟停控制、手動(dòng)控制信號(hào)檢測(cè)。數(shù)字量輸出端與繼電器連接,并將數(shù)字量信號(hào)發(fā)送到繼電器,實(shí)現(xiàn)交流接觸器和電磁閥的觸點(diǎn)動(dòng)作控制,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)截割電機(jī)以及搖臂的相應(yīng)動(dòng)作。PLC通過(guò)RS-232實(shí)現(xiàn)與固定操作站、顯示屏、遙控裝置、變頻器之間的通信,通過(guò)RS-485實(shí)現(xiàn)與顯示屏、遙控裝置、變頻器之間的通信。采煤機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

該方案能夠接收固定操作站的指令信號(hào),驅(qū)動(dòng)控制采煤機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu),診斷采煤機(jī)執(zhí)行部件的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài),實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)控制系統(tǒng)的故障診斷與報(bào)警,且基于固定操作站與遠(yuǎn)程遙控裝置,實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)的遠(yuǎn)程操控。

2 采煤機(jī)電控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)所述采煤機(jī)電控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案,整套電控系統(tǒng)包含:17個(gè)模擬量輸入信號(hào),即12個(gè)電流互感器信號(hào)、4個(gè)溫度傳感器信號(hào)和1個(gè)油壓傳感器信號(hào);10個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào),即2個(gè)漏油檢測(cè)信號(hào)、2個(gè)截割電機(jī)信號(hào)、2個(gè)牽引電機(jī)信號(hào)和4個(gè)溫度反饋信號(hào);9個(gè)數(shù)字量輸出信號(hào),即4個(gè)電機(jī)運(yùn)動(dòng)信號(hào)和5個(gè)電磁閥信號(hào)。根據(jù)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,完成系統(tǒng)硬件配置和選型,電控系統(tǒng)的硬件配置見(jiàn)表1,硬件系統(tǒng)按照各功能模塊進(jìn)行分類。

表1 電控系統(tǒng)硬件配置

根據(jù)表1,電控系統(tǒng)選擇FPG-C32TH型PLC。該P(yáng)LC通過(guò)RS-232端口實(shí)現(xiàn)與固定操作站的1對(duì)1通信,并且通過(guò)RS-485端口實(shí)現(xiàn)與顯示模塊、遙控裝置和變頻器1對(duì)多的通信,同時(shí)PLC和其他各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)傳輸采用Modbus RTU協(xié)議。PLC通信模塊FPG-COM4配置的3個(gè)RS-485端口和1個(gè)RS-232C端口,可實(shí)現(xiàn)PLC與其他設(shè)備的通信。模擬量轉(zhuǎn)換模塊FP0-A80能夠?qū)鞲衅鞑杉降哪M量信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),發(fā)送到PLC控制器中進(jìn)行相應(yīng)的控制。

電控系統(tǒng)不僅需要實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)各電機(jī)的運(yùn)行控制及搖臂的升降控制,還需對(duì)采煤機(jī)各電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,并將異常診斷和報(bào)警通過(guò)顯示模塊進(jìn)行反饋。

固定操作站與遙控裝置模塊為采煤過(guò)程中人機(jī)交互奠定基礎(chǔ),可編程顯示器MD204可以實(shí)現(xiàn)對(duì)截割電機(jī)、牽引電機(jī)以及搖臂的控制,并且實(shí)時(shí)顯示電機(jī)工作狀態(tài)信息。為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能,需要在采煤機(jī)端建立隨機(jī)接收站,主要包括無(wú)線收發(fā)模塊、微控制單元(microcontroller unit, MCU)和本安電源,并且與PLC通過(guò)RS-485接口進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

采煤機(jī)牽引電機(jī)的變頻調(diào)速采用ABB公司ACS800系列的變頻器,此變頻器能夠通過(guò)直接轉(zhuǎn)矩控制(direct torque control, DTC)實(shí)現(xiàn)對(duì)精致功率器件的準(zhǔn)確開(kāi)關(guān)。

3 采煤機(jī)電控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)采煤機(jī)電控系統(tǒng)的功能需求,兼顧考慮系統(tǒng)自動(dòng)化程序,本文設(shè)計(jì)了如圖3所示的采煤機(jī)電控系統(tǒng)軟件方案架構(gòu)。采煤機(jī)電控系統(tǒng)軟件方案主要包括固定操作站、遙控裝置、顯示模塊和變速調(diào)速4個(gè)功能模塊,其中固定操作站可實(shí)現(xiàn)截割電機(jī)啟停、搖臂的升降和采煤機(jī)啟?？刂频裙δ?遙控裝置通過(guò)遠(yuǎn)程操作方式將指令信息實(shí)時(shí)發(fā)送至執(zhí)行終端;顯示模塊通過(guò)RS-485與PLC通信,獲取PLC實(shí)時(shí)采集的過(guò)程參數(shù)信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)控與顯示;變頻調(diào)速模塊實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)牽引電機(jī)的啟停和速度調(diào)節(jié)以及牽引方向的換向。主程序集成調(diào)用上述功能模塊,協(xié)同遙控、操作、調(diào)速和顯示功能,提高采煤機(jī)工作的自動(dòng)化和信息化。

圖3 采煤機(jī)電控系統(tǒng)軟件方案架構(gòu)

采煤機(jī)電控系統(tǒng)在啟動(dòng)前,首先需要完成對(duì)工況環(huán)境瓦斯?jié)舛取⒙╇娗闆r的自檢,若自檢存在故障,則需檢修并恢復(fù)正常后再啟動(dòng)采煤機(jī)設(shè)備,并且在顯示屏上對(duì)采煤機(jī)的運(yùn)行狀況及參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與監(jiān)控。采煤機(jī)電控系統(tǒng)軟件具有故障診斷、冗余輸出和邏輯互鎖功能,即設(shè)備工作時(shí)左、右牽引電機(jī)有且僅有一個(gè)開(kāi)啟,另一個(gè)電機(jī)處于斷電冗余狀態(tài)。此外,采煤機(jī)電機(jī)啟動(dòng)之前需要檢測(cè)周圍工況,保證工作人員處于安全狀態(tài),若工況環(huán)境存在異常需報(bào)警提示,當(dāng)電機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)且檢測(cè)到周圍工況環(huán)境異常,電機(jī)立即斷電報(bào)警。在采煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程中,如果采煤機(jī)發(fā)生故障或者有緊急情況發(fā)生,需要立即關(guān)閉采煤機(jī)的總電源,停止采煤機(jī)的運(yùn)行,同時(shí)顯示屏要對(duì)故障進(jìn)行報(bào)警提示,并顯示故障發(fā)生的物理位置,方便檢修人員的維護(hù)維修工作。

圖4為主控制器的程序流程圖,主要包括系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)自檢、油泵電機(jī)啟動(dòng)、變頻器的啟動(dòng)、截割電機(jī)的啟動(dòng)、搖臂的控制、牽引電機(jī)的啟動(dòng)與加減速、運(yùn)行參數(shù)顯示、故障處理等功能。按照主程序流程,采用FPWIN GR編程軟件進(jìn)行程序編寫(xiě),最終完成采煤機(jī)電控系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)。

圖4 電控系統(tǒng)主程序流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以MG400/930-WD 型交流電牽引采煤機(jī)為例,對(duì)傳統(tǒng)采煤機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)采煤機(jī)電控系統(tǒng)的功能需求和安全邊界約束,提出了基于PLC和工控機(jī)的采煤機(jī)電控系統(tǒng),通過(guò)PLC的輸入采集、輸出控制、網(wǎng)絡(luò)通信和運(yùn)動(dòng)控制等功能,實(shí)現(xiàn)了主控模塊、顯示模塊、固定操作站與遙控模塊以及變頻調(diào)速模塊4個(gè)模塊程序的集成控制?；诠た貦C(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算處理特性,采煤機(jī)電控系統(tǒng)利用PLC實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)全過(guò)程參數(shù),基于系統(tǒng)全過(guò)程參數(shù)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵零部件的故障診斷及預(yù)警。

本文首先分析了采煤機(jī)電控系統(tǒng)的功能需求和安全邊界,確定了采煤機(jī)電控系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,然后根據(jù)系統(tǒng)功能需求詳細(xì)介紹了各模塊的軟件和硬件設(shè)計(jì)架構(gòu),通過(guò)功能模塊描述和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行,有效說(shuō)明了優(yōu)化后的采煤機(jī)電控系統(tǒng)在自動(dòng)化、信息化和智能化方面有所提高,對(duì)采煤機(jī)工作效率提升和采煤過(guò)程安全保障具有重要意義。