郭 鵬

（同煤集團(tuán)四臺(tái)礦專職質(zhì)檢組，山西 大同 037000）

引言

采煤機(jī)作為影響煤礦生產(chǎn)效率的關(guān)鍵設(shè)備，具有先進(jìn)可靠的電氣控制系統(tǒng)尤為重要，可以提高設(shè)備的可靠性，保證設(shè)備的整機(jī)性能。目前采煤機(jī)使用的調(diào)速方式是滑差調(diào)速方式，接線復(fù)雜，且工作時(shí)周圍環(huán)境比較惡劣，運(yùn)行過(guò)程中大功率的變頻調(diào)速裝置會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾，使電壓出現(xiàn)大幅度的波動(dòng)，還有電源污染、煤塵以及潮濕等諸多不利的因素[1-2]，都嚴(yán)重影響采煤機(jī)電控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

1 采煤機(jī)電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架

根據(jù)某礦井采煤機(jī)電控系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用情況，建立基于模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的PLC 控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)主要包括多路直流電源控制組件、電流溫度傳感器、各個(gè)端頭操作接口控制單元、無(wú)線遙控接收接口單元、顯示控制單元以及PLC 模塊，將各個(gè)模塊通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線連接起來(lái)，方便后續(xù)的檢修和維修，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的框架如圖1 所示。

圖1 電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

根據(jù)指示命令以及各個(gè)電機(jī)當(dāng)前的溫度、電流等參數(shù)，按照一定的算法規(guī)則對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制和保護(hù)[3]。通過(guò)操控控制面板，將各類信號(hào)處理后經(jīng)32 點(diǎn)開關(guān)模擬量控制輸入模塊與PLC 的端口連接，配有4 路12 位模擬量輸入/2 路模擬量輸出模塊，進(jìn)行截割部電機(jī)和牽引部電機(jī)的電流信號(hào)采集和A/D 轉(zhuǎn)換，根據(jù)變頻器的輸出頻率對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)牽引速度的信號(hào)，連接溫度模塊與截割部電機(jī)繞組和調(diào)速箱內(nèi)溫度檢測(cè)熱電阻，將電阻值轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)檢測(cè)點(diǎn)處溫度的數(shù)字量，變頻器的上電、斷電、牽引方向以及電磁閥電壓調(diào)高信號(hào)通過(guò)16 點(diǎn)繼電器信號(hào)輸出模塊輸出，智能觸摸屏顯示器通過(guò)串聯(lián)通信協(xié)議與PLC 上RS232 串口連接，主控制器通過(guò)CAN 總線與電流溫度傳感器連接，減少了連接電纜的數(shù)量，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

由于采煤機(jī)機(jī)身兩端頭的控制站與PLC 控制器之間間隔較大，而要控制的項(xiàng)目繁多，因此需要對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行處理得到數(shù)字脈沖信號(hào)，經(jīng)串行編碼器編碼后發(fā)送給控制箱。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)控制信號(hào)要先在端頭操作接口控制單元處進(jìn)行相應(yīng)變化，然后再進(jìn)入PLC 中處理；對(duì)于無(wú)線遙控信號(hào)要在無(wú)線接收單元接口處進(jìn)行變頻以及解碼等處理，再進(jìn)入PLC 中處理。PLC 系統(tǒng)的具體單元如下頁(yè)圖2 所示。

2 采煤機(jī)電控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

電控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括控制算法和控制信息顯示，控制算法主要采用梯形圖形式進(jìn)行編寫，信息顯示主要采用圖形化編程方法來(lái)進(jìn)行[4]。在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，電控系統(tǒng)中有10 路模擬量輸入、1 路模擬量輸出、39 點(diǎn)開關(guān)量輸入輸出是直接通過(guò)PLC 進(jìn)行信號(hào)處理的。采用先入先出隊(duì)列，為每路的模擬輸入信號(hào)都設(shè)置單獨(dú)的隊(duì)列，盡可能減少長(zhǎng)字的累加運(yùn)算，在滿足響應(yīng)時(shí)間的條件下，降低對(duì)每路模擬信號(hào)進(jìn)行濾波運(yùn)算的次數(shù)，從而提高數(shù)字濾波的響應(yīng)頻率，通過(guò)實(shí)際測(cè)試運(yùn)行，在采用此種計(jì)算方法后，選用0.4ms/每千步的PLC，僅用20ms 就可以將10 路8字以上深度的模擬均值信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，比以前使用重復(fù)累加數(shù)字濾波算法的響應(yīng)時(shí)間約快30%左右。同時(shí)，在設(shè)計(jì)時(shí)采用大型數(shù)組下標(biāo)操作尋址方法，以提高數(shù)據(jù)尋址的效率，使程序更靈活。PLC 的整體程序流程如圖3 所示。

圖2 PLC 電控系統(tǒng)單元圖

圖3 PLC 程序流程總圖

進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，為了使程序結(jié)構(gòu)看起來(lái)更清晰明了，調(diào)用子程序，不僅節(jié)省存儲(chǔ)器資源，還使后期維護(hù)更方便，整個(gè)采煤機(jī)電控系統(tǒng)的PLC 控制程序包含1 個(gè)主程序和10 個(gè)子程序，每一個(gè)子程序都對(duì)應(yīng)相應(yīng)的功能，各個(gè)子程序的接口清晰。比如，在對(duì)模擬量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理時(shí)，要編寫相應(yīng)的子程序，采用數(shù)組和移位的兩種操作，對(duì)數(shù)據(jù)構(gòu)建先入先出隊(duì)列，并進(jìn)行數(shù)字濾波處理，通過(guò)改變調(diào)用濾波的參數(shù)來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)數(shù)字濾波的時(shí)間常數(shù)。為了使采煤機(jī)能準(zhǔn)確跟蹤并及時(shí)記錄電控系統(tǒng)的相關(guān)運(yùn)行參數(shù)，要編寫對(duì)數(shù)據(jù)整理、記錄和回讀的子程序，其中，數(shù)據(jù)整理子程序主要負(fù)責(zé)將要記憶的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析采集，并保存形成緊湊的數(shù)據(jù)記錄文件格式；記錄子程序主要負(fù)責(zé)將輸出的一組數(shù)據(jù)利用數(shù)組功能，靠對(duì)數(shù)組下標(biāo)的模運(yùn)算，構(gòu)成環(huán)形尋址，便于連續(xù)記錄；回讀子程序主要負(fù)責(zé)將記錄的數(shù)據(jù)寫入PLC中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)跟蹤記錄功能。

3 采煤機(jī)電控系統(tǒng)的無(wú)線通信模塊

采煤機(jī)要實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化割煤，就需要在控制臺(tái)和采煤機(jī)上建立數(shù)據(jù)交互，采用無(wú)線波段進(jìn)行通信，在工作時(shí)，由于開采工作面比較寬，且使用的液壓支架數(shù)量也比較多，這些都會(huì)干擾無(wú)線信號(hào)的傳輸，如果在采煤機(jī)上安裝很長(zhǎng)的天線，一些機(jī)電設(shè)備的遮擋也會(huì)影響信號(hào)的傳輸。因此，根據(jù)礦井井下工作的復(fù)雜性和特殊性，綜合考慮信號(hào)傳輸衰減和多途徑的影響，要求無(wú)線通信裝置的功率不能過(guò)大，因而采用多個(gè)無(wú)線傳輸分站進(jìn)行信號(hào)傳輸，同時(shí)要盡量減少安裝在液壓支架下的布線和設(shè)備，將無(wú)線通信模塊與工作面通信模塊整合為一個(gè)系統(tǒng)，PLC 作為工作面通信系統(tǒng)的主機(jī)，也要對(duì)工作面組合開關(guān)進(jìn)行控制，整個(gè)數(shù)據(jù)中心是一臺(tái)隔爆型計(jì)算機(jī)，將計(jì)算機(jī)與PLC 通信作為上位機(jī)，用來(lái)顯示系統(tǒng)的狀態(tài)，同時(shí)控制相關(guān)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面的集中控制。

4 應(yīng)用效果

將該系統(tǒng)應(yīng)用于某煤礦發(fā)現(xiàn)，基于PLC 的電控系統(tǒng)使采煤機(jī)的爬坡能力有所提高，在運(yùn)行過(guò)程中平穩(wěn)可靠，且安裝簡(jiǎn)便，接線較少，容易進(jìn)行安全檢查和日常維護(hù)，維修費(fèi)用有所降低，約減少16 萬(wàn)元/年，采煤效率有所提高，采煤產(chǎn)量約增加50 萬(wàn)t/年。