变频调速牵引采煤机的PLC控制系统.docx

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变频调速牵引采煤机的PLC控制系统

变频调速牵引采煤机的PLC控制系统

杜宏举

摘要:

以提高采煤机可靠性和工作效率为目的设计了变频调速牵引采煤机.介绍了控制系统的总体组成和PLC的电气控制线路,并采用梯形图编程方法完成了PLC的软件编程.应用三菱公司的FX-PCS-DU-WIN-C编程界面,编制了触摸屏的实时显示画面,实现了对采煤机工作状态的在线监测和故障诊断.两台变频器采用主/从控制方法,对左/右牵引电机进行一拖一控制,实现了牵引变频调速四象限运行。

关键词:

采煤机;可编程序控制器;触摸屏;变频器;梯形图

0前言

采煤机作为煤矿井下的主要综采设备,常工作在比较恶劣的环境当中.其所处环境一般粉尘较大,空气相对湿度较高,操作空间较小,所以对采煤机控制系统工作的安全性、可靠性、维护简便性要求较高.以前,采煤机多采用液压牵引或直流电牵引方式,电气控制系统中由于使用大量分立的继电器、接触器等电气元件作为控制元件,其接线繁杂,技术落后,故障点多.而采用可靠性较高的PLC和变频器开发采煤机电气控制系统已是目前的发展趋势,本文利用PLC、变频器并结合触摸屏设计了变频调速牵引采煤机电气控制系统,该系统能够对采煤机的工作状态进行在线监测,使采煤机运行在大倾角的工作面上更加稳定可靠,提高了采煤机的控制精度和故障诊断效率。

1系统组成

本系统的主要组成单元有:

PLC、三块扩展A/D转换模块、主/从变频器、触摸屏、变频左/右牵引电动机、左/右截割电动机、电磁阀、信号检测电路、电气控制电路等.采煤机电气系统原理图如图1所示.系统采用日本三菱电气公司FX2N系列的PLC作为中央处理器,完成牵引电机转速的快速设定与无级调速、参数处理等功能.用三菱公司的扩展A/D转换模块作为信号采集与测量单元,及时检测和反馈各种参数,实现对系统断电与保护功能.变频器采用ABB公司的ACS611系列构成主从变频调速方式,具有四象限运行的能力,实现牵引电机的正反转运行和回馈制动,变频电动机控制为直接转矩控（DTC）[1]方式.采用三菱触摸屏实时显示采煤机各种工作状态和主要参数,并能提供在线帮助信息和故障报警功能。

2控制系统的设计与实现

2.1PLC控制电路

为实现精确控制的要求,系统采用日本三菱微PLC（FX2N-48MR-ES）[2]作为主控单元,其输入输出点数均为24点.该型PLC具有单元式PC简

图1采煤机PLC控制系统

单易用和模块式PC功能强大、组合灵活的特点.扩展模块从基本单元获得电源,无需外加电源设备.计时器、计数器和寄存器性能优越,处理速度快.PLC控制电路部分I/O分配和功能如图2所示。

图2中,PLC输入信号来自按钮和瓦斯断电仪的触点等

开关量元件

。

当采煤机工作环境中的瓦斯浓度超限时,

瓦斯断电仪将报警并动作,将其触点接入PLC中控制启动回路的自保触点,使整

个采煤机断电。

电流互感器TA1、TA2把左、右截割电机0～200A的电流转换为4～20mA的信号送入PLC第一块扩展A/D转换模块FX2N-4AD[3]的CH1和CH2通道,与PLC程序中所设参数进行比较,图2PLC部分I/O分配和功能

从而实现对左右截割电机的过电流保护。

牵引电机的输出电流经过变频器内部检测后,通过变频器I/O板上的X21.11和X21.12两个端子输出0～20mA电流信号,送入PLC第一块扩展A/D转换模块CH3和CH4通道,与PLC内部程序所设参数进行比较,进行两台牵引电机的负载平衡。

当两台牵引电机电流差的绝对值大于等于10A时,PLC立即向变频器X22.1端子发出停牵引信号,同时与触摸屏通信,显示相应故障画面。

采煤机的工作倾角经过SX13-01电子倾角仪转换成-10V～+10V的信号,送入PLC第二块扩展A/D转换模FX2N-4AD的CH1通道,给PLC提供采煤机倾斜角度的采样信号,然后在触摸屏上显示出采煤机实际倾角,便于操作人员正常使用采煤机。

在左右截割电机和牵引变压器的绕组内,均埋有PT-100热敏电阻,这些热电阻值分别送入PLC第三块扩展A/D转换模块FX2N-4AD-PT的CH1、CH2、CH3通道。

当任意一台截割电机温度达到155℃时,PLC控制触摸屏显示截割电机温度超限故障画面,同时输出信号将采煤机启动回路自保触点断开,使采煤机停电.当牵引变压器温度超过160℃时,PLC控制触摸屏显示牵引变压器温度超限故障画面,同时输出信号不允许牵引或者停止牵引。

PLC输出信号送往电磁阀,电气控制电路中的启动回路,主变频器和触摸屏等执行、显示器件.三位四通电磁阀控制采煤机左右摇臂的升降,另一个两位四通电磁阀控制制动闸的动作.当PLC输入信号为"左牵"或"右牵"时,PLC输出信号使两位四通电磁阀得电,控制液压油路将制动闸打开,采煤机正常牵引.当PLC输入信号为"牵停"时,PLC输出信号使两位四通电磁阀失电,制动闸再次抱闸,采煤机停止牵引。

图3牵引速度与电流显示画面

2.2触摸屏设计及其功能

触摸屏选用三菱公司的F940GOT[4]作为人机界面,具有良好的交互性,且画面编程简单.编程时,在PC机上,打开FX-PCS-DUWIN-C程序,新建一个扩展名为.dup文件,进入画面清单界面.在此界面下,编辑好触摸屏上所需显示画面对应。

通过PC机上的RS232端口与触摸屏上的RS232端口之间的通讯电缆,把编辑好的界面下载至触摸屏就完成了触摸屏的编程工作。

图3为采煤机牵引速度、左/右牵引电机电流、制动闸状态的编辑显示画面.其中"牵引速度"对应着PLC数据区D130,"左牵引电机电流"对应着PLC数据区D137,"右牵引电机电流"对应着PLC数据区D138,"抱闸"状态对应着PLC输出端子Y10。

触摸屏与PLC之间通过RS232接口以主从连接方式进行连接.由PLC对触摸屏状态控制区和通知区进行读写,达到两者之间的信息交互.本系统触摸屏的主要功能有:

（1）触摸屏提供在线帮助:

通过主菜单和一系列的子菜单对按键、开关、触摸屏所用符号、报警、通讯等各项目提供说明和在线帮助.最重要的是它能够直接在触摸屏上通过手指的触摸在线实时编辑PLC程序.这一功能使技术人员在采煤机工作现场修改、增加或删除PLC程序时,不再依赖于编程器或笔记本电脑,操作起来更加简便、灵活。

（2）触摸屏能够实时显示系统的各种工作参数、工作状态和各种信息.如当采煤机正常运转时,触摸屏将滚动显示采煤机牵引速度、牵引方向、左右截割电机温度和电流、牵引变压器温度、左右牵引电机电流、制动闸状态等信息。

（3）能够实时显示故障状态画面和相应的解决方法.如:

瓦斯浓度超限、左右截割电机温度和电流预警、牵引变压器温度预警、左右牵引电机电流预警等。

2.3变频器及其控制策略

本系统牵引电机变频调速采用主从控制方案,一台主变频器,一台从变频器.在对变频器进行参数设定时,将参数60.01[5]选择为MASTER或FOLLOWER,就可实现主从变频器的设置.主变频器由PLC给出

速度给定,从变频器以主变频器的转矩输出作为其转矩给定,即主变频器由速度和转矩环控制,从变频器仅由转矩环控制.外部控制信号只与主变频器连接,主变频器通过光纤通信控制从变频器,从变频器跟随主变频器动作.ACS611变频器可在电动模式和发电模式下进行整个功率范围的能量转换.当由于外力的作用,例如采煤机在大倾角煤层空载下坡时的下滑力,使牵引电机的速度超过其同步转速时,牵引电机工作在回馈制动运转状态,此时牵引电机的发电能量使交流变频器的直流回路电压上升,在电压达到规定值时,将通过变频器输入侧的回馈逆变桥将能量回馈给交流电网,同时在电机轴上产生机械制动转矩,有效控制下行速度,实现一、三象限转向二、四象限运行.通过变频器控制盘CDP312R的参数设定,PLC输出到变频器X22.1～X22.7端子的数字值具有不同的功能.参数10.01选为DI1,2,表示可用X22.1端子的值控制变频器启动或停机,其中0代表停止,1代表启动.X22.2端子的值控制牵引电机的转向,其中0代表正转,1代表反转.参数11.03设置为DI3U,4D（R）,即用X22.3和X22.4端子的值作为电机的点动给定

速度,X22.3为增速信号,X22.4为减速信号.参数16.04设置为DI5,表示X22.5端子的值可实现变频器复位功能.参数16.05设置为DI6,表示X22.6端子的值可用来调用用户宏1或用户宏2。

3系统软件设计

本系统编程软件选用的是日本三菱公司的FXGP-WIN-C.软件编程时,按照控制系统的要求,首先确定各个动作的先后次序和相互关系,明确输入/输出信号的逻辑关系,再由逻辑关系转化为梯形图.编程时

采用了模块化结构,而每一模块的程序结构相当简单,有利于程序的修改和调试.梯形图图4显示了采煤机"左牵"或"右牵"按钮按下时的部分程序关系.当采煤机已在左牵引状态时,按下"右牵"按钮,此时采煤机将会减速;如果一直按下"右牵"按钮,则采煤机速度将会减小到零速.但是采煤机到零速后不会继续向右牵引,只有松开"右牵"按钮,重新选择"左牵"或"右牵"按钮,则采煤机才会沿着所选的方向行走.反之亦然.从而避免了操作人员的误操作.这一功能在电牵引采煤机PLC程序设计中尤其重要,俗称采煤机过零保护.本系统梯形图共有800多条支路,限于篇幅,不再详细介绍。

4结束语

新设计的采煤机电控系统采用了PLC、变频器与触摸屏相结合,具有良好的故障自诊断能力.DTC变频调速技术和信号传输技术,使采煤机控制和保护功能更加完善.牵引系统采用"一拖一"控制,即两个变频器分别拖动两个牵引电机,提高了系统的控制精度.系统具有再生制动功能,可以四象限运行,拓宽了采煤机的适应性。

图4左右牵引部分梯形图

参考文献:

[1]张崇巍,李汉强.运动控制系统[M].武汉:

武汉理工大学出社,2002.159-170.

[2]三菱电气公司.三菱可编程控制器FX2N系列使用手册[Z].北京:

北京三菱电、机出版,1999.22-30.

[3]三菱电气公司.三菱可编程控制器FX系列特殊功能模块用户手册[Z].北京:

、

北京三菱电机出版,1999.7-11.

[4]三菱电气公司.三菱图示操作终端F940GOT型操作手册[Z].北京:

北京三菱电

机出版,1999.129-141.

[5]ABB电气传动系统有限公司.ACS800标准应用程序7.X固件手册[Z].北京:

北

京ABB电气传动系统有限公司,2002.91-157.