交流電牽引采煤機(jī)是現(xiàn)代化礦井實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的關(guān)鍵設(shè)備之一。其電氣設(shè)備控制系統(tǒng)的先進(jìn)性和可靠性對(duì)保證采煤機(jī)的整機(jī)性能及提高其可靠性都有著極其重要的影響。采煤機(jī)工作環(huán)境惡劣,如運(yùn)行時(shí)振動(dòng)強(qiáng)烈、大功率變頻調(diào)速裝置產(chǎn)生強(qiáng)的電磁干擾、電源電壓極不穩(wěn)定(經(jīng)常存在+ 20 %～ - 30 %的大幅度波動(dòng)) ,且存在較重的電源污染以及煤塵、潮濕嚴(yán)重等許多不利因素,對(duì)采煤機(jī)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都提出了較為苛刻的要求。

    在設(shè)計(jì)國(guó)產(chǎn)MG 系列變頻器機(jī)載式交流電牽引采煤機(jī)電控系統(tǒng)時(shí),充分考慮到可編程控制器(PLC) 自身硬軟件技術(shù)成熟,具有抗干擾能力強(qiáng)、組態(tài)靈活方便和可靠性高等特點(diǎn),比較適合于在惡劣環(huán)境下使用。因而選用PLC 作為電控系統(tǒng)的核心元件,配以自行開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用接口,實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)系統(tǒng)的控制、監(jiān)測(cè)、保護(hù)和顯示等功能。

1 電控系統(tǒng)的控制功能

    在變頻器機(jī)載式交流電牽引采煤機(jī)中,電控系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的操作、控制和保護(hù)等功能,主要有:

    (1)根據(jù)采煤工藝和采煤機(jī)司機(jī)的操作要求,控制主機(jī)啟動(dòng)和停止,牽引送電/ 斷電、牽引換向和牽引速度控制;

    (2)為方便司機(jī)對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行控制,設(shè)置有中間控制箱面板、機(jī)身端頭控制站和無(wú)線電遙控3 種操作方式,以便自由選擇;

    (3)實(shí)現(xiàn)截割電機(jī)的恒功率自動(dòng)控制和重載自動(dòng)反向牽引;

    (4)對(duì)截割和牽引電機(jī)進(jìn)行過(guò)電流及溫度保護(hù),包括:4 臺(tái)電機(jī)電流反時(shí)限繼電保護(hù);電機(jī)堵轉(zhuǎn)瞬動(dòng)保護(hù);高溫運(yùn)行時(shí),自動(dòng)調(diào)整保護(hù)整定值;電機(jī)過(guò)熱報(bào)警和斷電保護(hù);

    (5)搖臂的升降操作;

    (6)運(yùn)行參數(shù)中文顯示、參數(shù)記憶及故障自動(dòng)鎖定等功能。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及配置

    為了實(shí)現(xiàn)上述功能,選用了美國(guó)通用電氣公司GE Fanuc 90 - 30 PLC 作為控制系統(tǒng)的核心元件。電控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

    PLC 安裝在采煤機(jī)電控箱內(nèi),它根據(jù)采煤機(jī)司機(jī)的命令和采煤機(jī)各電機(jī)當(dāng)前的電流和溫度等運(yùn)行參數(shù),按照一定的算法規(guī)則來(lái)完成對(duì)機(jī)器的控制和保護(hù)。電控箱內(nèi)還裝有端頭操作接口單元、無(wú)線遙控接收單元、多路電源組件、用于人機(jī)接口的顯示單元和部分電流傳感器。PLC 硬件配置如表1 所示。

表1 采煤機(jī)電控系統(tǒng)PLC 硬件配置表

    在本系統(tǒng)中,來(lái)自采煤機(jī)中間箱控制面板的操作命令、經(jīng)過(guò)變換處理后的端頭操作信號(hào)、來(lái)自無(wú)線電遙控接收機(jī)的控制信號(hào)及水路故障信號(hào)等經(jīng)過(guò)接線邏輯處理后,由32 點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸入模塊MDL655(接點(diǎn)輸入) 送入PLC。AL G442 為4 路12 位模擬量輸入/ 2 路模擬量輸出模塊。由霍爾效應(yīng)電流傳感器檢測(cè)到的兩截割電機(jī)和牽引電機(jī)電流信號(hào)由該模塊進(jìn)行采樣和A/ D 轉(zhuǎn)換。用于控制變頻器的輸出頻率,調(diào)節(jié)采煤機(jī)牽引速度的模擬信號(hào),也由該模塊輸出。截割電機(jī)繞組內(nèi)和調(diào)速箱內(nèi)的溫度檢測(cè)熱電阻Pt - 100 ,直接與RTD600溫度模塊相連,該模塊將Pt - 100 的電阻值轉(zhuǎn)變?yōu)榕c檢測(cè)點(diǎn)溫度對(duì)應(yīng)的數(shù)字量?？刂撇擅簷C(jī)變頻器送/ 斷電、牽引方向和搖臂調(diào)高電磁閥的信號(hào)從16 點(diǎn)繼電器輸出模塊MDL655 輸出。日本DEC 公司生產(chǎn)的帶觸摸屏功能的LCD 智能GP 顯示器以SNP 串行通信協(xié)議和PLC 電源模塊上的RS - 485 兼容串口相連。由于該顯示器內(nèi)帶32 位RISC CPU 和豐富的顯示控制軟件,與PLC 接口簡(jiǎn)便, PLC 只需耗費(fèi)很少的時(shí)間和存儲(chǔ)空間來(lái)控制顯示。

    安裝在采煤機(jī)機(jī)身兩頭的端頭控制站離PLC較遠(yuǎn)且控制項(xiàng)目較多,其控制信號(hào)要先在控制站內(nèi)進(jìn)行脈沖編碼后,再串行地發(fā)送到中間電控箱。由于該信號(hào)不能由PLC 直接處理,必需先經(jīng)端頭操作接口單元進(jìn)行變換后再進(jìn)入PLC。同樣,從遙控發(fā)射機(jī)發(fā)出的154MHz 無(wú)線電遙控信號(hào),被無(wú)線接收單元接收并經(jīng)變頻、解調(diào)、解碼等處理后,再送入PLC 進(jìn)行處理。

圖1 以PLC 為核心的采煤機(jī)電控系統(tǒng)硬件框圖

3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

    系統(tǒng)軟件由控制保護(hù)算法部分和顯示控制部分組成,其中PLC 控制軟件采用梯形圖形式編寫(xiě),顯示器部分主要是圖形化編程。

    在電控系統(tǒng)中由PLC 處理的數(shù)據(jù)計(jì)有: 10 路模擬量輸入、1 路模擬量輸出和39 點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸入輸出。雖然PLC 對(duì)開(kāi)關(guān)量的處理能力很強(qiáng),但對(duì)于GE Funac 90 - 30 這類(lèi)中小型PLC ,其算術(shù)運(yùn)算功能較弱,梯形圖編程又缺乏對(duì)地址指針之類(lèi)的靈活尋址方式的支持,所以在本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中對(duì)模擬量的處理是重點(diǎn)和難點(diǎn)。在設(shè)計(jì)中,采取為每路模擬輸入設(shè)置單獨(dú)的FIF0 (先入先出) 隊(duì)列,盡量減少長(zhǎng)字運(yùn)算,在滿足響應(yīng)時(shí)間的前提下降低執(zhí)行費(fèi)時(shí)的濾波運(yùn)算的次數(shù)等方法,提高了對(duì)10 路模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波的效率。實(shí)際運(yùn)行表明,采取這些方法后速度為0. 4ms/ 千步的PLC 可在20ms 內(nèi)完成10 路8 字深度的均值濾波,比一般的重復(fù)累加濾波算法約快30 %左右。另外,通過(guò)設(shè)置大型數(shù)組,使用下標(biāo)操作尋址的方法也大大提高了對(duì)數(shù)據(jù)尋址的效率和靈活性。PLC程序的總體流程如圖2 所示。

圖2 PLC 程序流程總圖

    在PLC 程序中大量采用子程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì),其優(yōu)點(diǎn)是程序結(jié)構(gòu)清晰、維護(hù)方便并能節(jié)省PLC 寶貴的存儲(chǔ)器資源。整個(gè)PLC 控制程序由1個(gè)主程序和10 個(gè)子程序構(gòu)成,其中每個(gè)子程序都完成特定功能,子程序之間接口清晰,數(shù)據(jù)和算法對(duì)應(yīng)關(guān)系明確。例如,在對(duì)模擬量的預(yù)處理中,編寫(xiě)了專(zhuān)門(mén)的子程序,利用數(shù)組和移位操作構(gòu)成的FIF0 隊(duì)列,對(duì)輸入模擬量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波。通過(guò)改變?yōu)V波子程序調(diào)用參數(shù),很容易改變?yōu)V波時(shí)間常數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的跟蹤記錄功能,特編寫(xiě)了專(zhuān)門(mén)的子程序分別進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理、記錄和回讀。數(shù)據(jù)整理子程序負(fù)責(zé)采集需要記憶的數(shù)據(jù),并將這些數(shù)據(jù)整理形成緊湊的記錄(RECORD) 格式。記錄子程序接受整理子程序輸出的記錄數(shù)據(jù),利用GE Funac 90 - 30的數(shù)組功能,靠對(duì)數(shù)組下標(biāo)的模運(yùn)算,構(gòu)成環(huán)行尋址(circular addressing) 將記錄數(shù)據(jù)寫(xiě)入PLC 掉電保護(hù)的RAM ,很好地實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的連續(xù)跟蹤記錄功能。

4 提高系統(tǒng)可靠性和抗干擾性能的措施

    如前所述,交流電牽引采煤機(jī)電控系統(tǒng)工作環(huán)境惡劣。在設(shè)計(jì)以PLC 為核心的采煤機(jī)電控系統(tǒng)時(shí),為確保系統(tǒng)能在這種環(huán)境下運(yùn)行可靠,主要采取了以下一些措施:

    (1) 在PLC 的安裝固定方面采取了抗振加固措施,電控系統(tǒng)進(jìn)行密閉以防潮防塵;

    (2) 采用輸入電壓范圍寬廣的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源作為控制電源,并使電源容量有40 %～50 %的裕量;

    (3) 在電路設(shè)計(jì)中盡量采用工業(yè)級(jí)元件,確保元件的耐壓能力和額定功率都有2 倍以上的裕量;

    (4) 控制系統(tǒng)安置于屏蔽腔內(nèi),控制電纜全部采用屏蔽電纜和雙絞線。系統(tǒng)采取了嚴(yán)格隔離措施,輸入輸出口均采用光耦和繼電器隔離;

    (5) 對(duì)需要長(zhǎng)距離傳輸?shù)碾娦盘?hào),則采取盡量放大有用信號(hào)的幅值以提高信噪比、降低信號(hào)接收電路輸入阻抗,并采用帶通濾波等多方面綜合措施,來(lái)減少變頻器和其它電氣設(shè)備在信號(hào)回路產(chǎn)生的噪音干擾;

    (6) 在控制軟件中對(duì)采集到的電流和溫度信號(hào)全部進(jìn)行軟件濾波剔除“野點(diǎn)”。通過(guò)信號(hào)跳變分析,結(jié)合系統(tǒng)正常參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值,對(duì)傳感器故障進(jìn)行診斷,減少因保護(hù)誤動(dòng)引起的停機(jī)故障。

5 實(shí)際應(yīng)用

    裝備PLC 電控系統(tǒng)的第一臺(tái)MG250/ 600-WD1 型交流電牽引采煤機(jī)于1998 年8 月在晉城礦務(wù)局投入使用。一年多的井下運(yùn)行情況表明,該電控系統(tǒng),不但能完全實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)系統(tǒng)所要求的基本控制和保護(hù)功能,而且在工作參數(shù)的檢測(cè)精度、響應(yīng)速度、保護(hù)動(dòng)作的準(zhǔn)確性及工作可靠性等方面比以往的電控系統(tǒng)都有明顯提高。其人機(jī)界面十分友好(大屏幕LCD 顯示器) ,具有系統(tǒng)故障定位、工作參數(shù)跟蹤記錄、操作提示等特色功能,深受煤礦用戶的歡迎。到目前為止,已有5 臺(tái)采用該控制系統(tǒng)交流電牽引采煤機(jī)在山西晉城礦務(wù)局投入使用。