交流電牽引采煤機是現代化礦井實現高產高效的關鍵設備之一。其電氣設備控制系統的先進性和可靠性對保證采煤機的整機性能及提高其可靠性都有著極其重要的影響。采煤機工作環境惡劣,如運行時振動強烈、大功率變頻調速裝置產生強的電磁干擾、電源電壓極不穩定(經常存在+ 20 %～ - 30 %的大幅度波動) ,且存在較重的電源污染以及煤塵、潮濕嚴重等許多不利因素,對采煤機電控系統的設計都提出了較為苛刻的要求。

    在設計國產MG 系列變頻器機載式交流電牽引采煤機電控系統時,充分考慮到可編程控制器(PLC) 自身硬軟件技術成熟,具有抗干擾能力強、組態靈活方便和可靠性高等特點,比較適合于在惡劣環境下使用。因而選用PLC 作為電控系統的核心元件,配以自行開發的專用接口,實現采煤機系統的控制、監測、保護和顯示等功能。

1 電控系統的控制功能

    在變頻器機載式交流電牽引采煤機中,電控系統要實現的操作、控制和保護等功能,主要有:

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

    (2)為方便司機對采煤機進行控制,設置有中間控制箱面板、機身端頭控制站和無線電遙控3 種操作方式,以便自由選擇;

    (3)實現截割電機的恒功率自動控制和重載自動反向牽引;

    (4)對截割和牽引電機進行過電流及溫度保護,包括:4 臺電機電流反時限繼電保護;電機堵轉瞬動保護;高溫運行時,自動調整保護整定值;電機過熱報警和斷電保護;

    (5)搖臂的升降操作;

    (6)運行參數中文顯示、參數記憶及故障自動鎖定等功能。

2 系統硬件結構及配置

    為了實現上述功能,選用了美國通用電氣公司GE Fanuc 90 - 30 PLC 作為控制系統的核心元件。電控系統的硬件結構見圖1。

    PLC 安裝在采煤機電控箱內,它根據采煤機司機的命令和采煤機各電機當前的電流和溫度等運行參數,按照一定的算法規則來完成對機器的控制和保護。電控箱內還裝有端頭操作接口單元、無線遙控接收單元、多路電源組件、用于人機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 采煤機電控系統PLC 硬件配置表

    在本系統中,來自采煤機中間箱控制面板的操作命令、經過變換處理后的端頭操作信號、來自無線電遙控接收機的控制信號及水路故障信號等經過接線邏輯處理后,由32 點開關量輸入模塊MDL655(接點輸入) 送入PLC。AL G442 為4 路12 位模擬量輸入/ 2 路模擬量輸出模塊。由霍爾效應電流傳感器檢測到的兩截割電機和牽引電機電流信號由該模塊進行采樣和A/ D 轉換。用于控制變頻器的輸出頻率,調節采煤機牽引速度的模擬信號,也由該模塊輸出。截割電機繞組內和調速箱內的溫度檢測熱電阻Pt - 100 ,直接與RTD600溫度模塊相連,該模塊將Pt - 100 的電阻值轉變為與檢測點溫度對應的數字量。控制采煤機變頻器送/ 斷電、牽引方向和搖臂調高電磁閥的信號從16 點繼電器輸出模塊MDL655 輸出。日本DEC 公司生產的帶觸摸屏功能的LCD 智能GP 顯示器以SNP 串行通信協議和PLC 電源模塊上的RS - 485 兼容串口相連。由于該顯示器內帶32 位RISC CPU 和豐富的顯示控制軟件,與PLC 接口簡便, PLC 只需耗費很少的時間和存儲空間來控制顯示。

    安裝在采煤機機身兩頭的端頭控制站離PLC較遠且控制項目較多,其控制信號要先在控制站內進行脈沖編碼后,再串行地發送到中間電控箱。由于該信號不能由PLC 直接處理,必需先經端頭操作接口單元進行變換后再進入PLC。同樣,從遙控發射機發出的154MHz 無線電遙控信號,被無線接收單元接收并經變頻、解調、解碼等處理后,再送入PLC 進行處理。

圖1 以PLC 為核心的采煤機電控系統硬件框圖

3 系統軟件結構

    系統軟件由控制保護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,顯示器部分主要是圖形化編程。

    在電控系統中由PLC 處理的數據計有: 10 路模擬量輸入、1 路模擬量輸出和39 點開關量輸入輸出。雖然PLC 對開關量的處理能力很強,但對于GE Funac 90 - 30 這類中小型PLC ,其算術運算功能較弱,梯形圖編程又缺乏對地址指針之類的靈活尋址方式的支持,所以在本系統的軟件設計中對模擬量的處理是重點和難點。在設計中,采取為每路模擬輸入設置單獨的FIF0 (先入先出) 隊列,盡量減少長字運算,在滿足響應時間的前提下降低執行費時的濾波運算的次數等方法,提高了對10 路模擬信號進行數字濾波的效率。實際運行表明,采取這些方法后速度為0. 4ms/ 千步的PLC 可在20ms 內完成10 路8 字深度的均值濾波,比一般的重復累加濾波算法約快30 %左右。另外,通過設置大型數組,使用下標操作尋址的方法也大大提高了對數據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行結構化設計,其優點是程序結構清晰、維護方便并能節省PLC 寶貴的存儲器資源。整個PLC 控制程序由1個主程序和10 個子程序構成,其中每個子程序都完成特定功能,子程序之間接口清晰,數據和算法對應關系明確。例如,在對模擬量的預處理中,編寫了專門的子程序,利用數組和移位操作構成的FIF0 隊列,對輸入模擬量數據進行數字濾波。通過改變濾波子程序調用參數,很容易改變濾波時間常數。為了實現采煤機系統運行參數的跟蹤記錄功能,特編寫了專門的子程序分別進行數據的整理、記錄和回讀。數據整理子程序負責采集需要記憶的數據,并將這些數據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據,利用GE Funac 90 - 30的數組功能,靠對數組下標的模運算,構成環行尋址(circular addressing) 將記錄數據寫入PLC 掉電保護的RAM ,很好地實現了數據的連續跟蹤記錄功能。

4 提高系統可靠性和抗干擾性能的措施

    如前所述,交流電牽引采煤機電控系統工作環境惡劣。在設計以PLC 為核心的采煤機電控系統時,為確保系統能在這種環境下運行可靠,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,電控系統進行密閉以防潮防塵;

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

    (3) 在電路設計中盡量采用工業級元件,確保元件的耐壓能力和額定功率都有2 倍以上的裕量;

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

    (5) 對需要長距離傳輸的電信號,則采取盡量放大有用信號的幅值以提高信噪比、降低信號接收電路輸入阻抗,并采用帶通濾波等多方面綜合措施,來減少變頻器和其它電氣設備在信號回路產生的噪音干擾;

    (6) 在控制軟件中對采集到的電流和溫度信號全部進行軟件濾波剔除“野點”。通過信號跳變分析,結合系統正常參數的經驗值,對傳感器故障進行診斷,減少因保護誤動引起的停機故障。

5 實際應用

    裝備PLC 電控系統的第一臺MG250/ 600-WD1 型交流電牽引采煤機于1998 年8 月在晉城礦務局投入使用。一年多的井下運行情況表明,該電控系統,不但能完全實現采煤機系統所要求的基本控制和保護功能,而且在工作參數的檢測精度、響應速度、保護動作的準確性及工作可靠性等方面比以往的電控系統都有明顯提高。其人機界面十分友好(大屏幕LCD 顯示器) ,具有系統故障定位、工作參數跟蹤記錄、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 臺采用該控制系統交流電牽引采煤機在山西晉城礦務局投入使用。