基于PLC控制器的煤矿卡轨车控制系统研究.pdf

自动化系统设计andManagementNo.7,2023DevelopmentMechanical2023年第7 期Total 243机械管理开发总第2 4 3期D0I:10.16525/14-1134/th.2023.07.081基于PLC控制器的煤矿卡卡轨车控制系统研究霍志峰（山西新元煤炭有限责任公司，山西晋中045300)摘要：卡轨车是煤矿中重要的辅助运输装备，良好的控制系统是确保设备稳定可靠运行的基础和前提。基于PLC控制器设计了卡轨车的控制系统，该系统采用允余设计，通过两套PLC控制器进行控制，以提升系统运行的可靠性。控制器型号为S7-300，采用模块化设计，由CPU、电源、计数器、数字量输入输出等模块构成，变频器选用的型号为D7260,属于隔爆安全型变频器。对控制系统软件总体工作流程进行了分析，对主界面进行了详细设计。控制系统的成功实践应用使设备的运行成本大幅度降低，经济效益显著。关键词：PLC控制器；卡轨车；控制系统中图分类号：TD524文献标识码：A文章编号：1 0 0 3-7 7 3X(2023）0 7-0 2 0 1-0 30弓引言煤矿开采过程中卡轨车是重要的辅助运输装备，其性能好坏会在一定程度上影响煤矿开采效率 1 。近几年，随着我国煤矿领域朝着机械化、自动化等方向发展，煤矿开采效率有了大幅度提升，矿井中的运输系统任务日趋繁重 2 。矿井中比较传统的蓄电池机车以及绞车由于运输效率较低，难以满足辅助运输系统的实际要求。此时配套先进控制系统的煤矿卡轨车的优势逐渐显现,在矿井中的应用越来越广泛 3。基于先进的PLC控制器设计研究了煤矿卡轨车控制系统，将其应用到工程实践中，取得了良好的效果。对于提升卡轨车运行可靠性，保障煤矿运输效率具有重要的工程实践意义。1卡轨车系统概述以KSD140J型卡轨车为对象进行研究，利用PLC控制器和变频器设计了控制系统。该型号卡轨车的最大牵引力为1 4 0 kN，最长运输距离为2 2 0 0 m，牵引速度和爬坡能力分别为0 3m/s和30，主绳轮和尾绳轮的直径分别为1 9 0 0 mm和1 6 4 0 mm。设备中使用的电机主要有三个，分别为主电机、风冷电机和泵站电机，其中主电机的功率为2 8 0 kW，另外两台电机的功率均为3kW,工作时的电压均为6 6 0 V。为了对卡轨车的运行速度进行精确控制，需要使用变频器配合PLC控制器对设备进行精准控制 4 。为了保障变频器的运行稳定性，要求具备有长时间过载运行的能力。2卡轨车控制系统主要硬件2.1PLC控制器组成PLC控制器是整个控制系统中的核心构成部分，其性能好坏会对控制系统的运行稳定性和可靠性产生直接影响 5 。在分析不同类型PLC控制器性能及价格的基础上，选用的是西门子公司研制生产的S7-300型PLC控制器，该型号控制器在工业领域具有非常广泛的应用，且应用效果良好，如图1 所示为S7-300型PLC控制器的主要构成模块。控制系统中的PLC控制器采用允余设计，即设置一个主用控制器，一个备用控制器。CPU模块数字量输人模块(6ES7315-2EH14-0AB0)(6ES7321-1BH02-0AA0)电源模块数字量输出模块(6ES7307-1BA01-0AA0)(6ES7322-1HH01-0AA0)S7-300 PLC控制器计数器模组模拟量输人模块(6ES7350-2AH01-0AE0)(6ES7321-7NF00-0ABO)接口模组模拟量输出模块(6ES7365-0BA01-0AA0)(6ES7322-5HB01-0AB0)图1PLC控制器的主要构成模块由图1 可知，基于PLC控制器的控制系统采用模块化思路设计，整个控制器由不同的模块构成。其中CPU模块型号为6 ES7315-2EH14-0ABO，具有丰富的接口，包括两个DP接口和两个以太网接口，需要2 4VDC电源进行供电。电源模块型号为6 ES7307-1BA01-0AA0,可以为包括CPU在内的各模块提供电源服务，输出的电压和电流分别为2 4 V和2 A。数字量输人和输出模块的型号依次为6 ES7321-1BH02-0AA0和6 ES7322-1HH01-0AA0,可以完成1 6 点数字量的输人或输出，工作时电压为2 4 V，前者主要是对各开关量信号进行采集，后者主要是对各开关闸阀进行驱动。模拟量输人和输出模块的型号分别为6ES7321-7NF00-0AB0和6 ES7322-5HB01-0AB0,前者的作用是对各类传感器的信号进行采集，后者的作用是输出信号对变频器进行控制。2.2外围主要信号器件组成1)光耦隔离电路板。隔离电路板的作用是对本安回路和非本安回路进行有效隔离，避免两者之间相互影响，对系统的运行稳定性造成不良影响。比如操作收稿日期：2 0 2 2-1 0-0 9作者简介：霍志峰（1 9 8 8 一），男，山西临县人，毕业于太原理工大学电气工程及其自动化专业，助理工程师。:202第38 卷机械管理开发台下达的控制指令需要通过隔离电路板后再输人到PLC控制器中，图2 所示为光耦隔离电路板引脚接线原理图。8:TWIa+TSd6a117.6L1+118.1118.2217.7/L2+A11COMA11B21COMB2A3COMA3B12COMB12D引自本安电源2 4 V-BA24V-BADYI:BA24-GNDOCOMB3223B3218.3下过卷1D7:40 B3B322DIM2:153A3上过卷1D7:37A3OCOMA32.光耦隔离电路板218.2磁接近开关 1 0 1 DZ:3483B2B2A32-2DIM2:14磁接近开关9 1 DZ:31:3A2A2食COMB22218.1磁接近开关8 1 DZ:283B1B1B222DIM2:13磁接近开关7 1 DZ:25&3A1A1C O MA 2 2218.0BADY1:BA24+BA24V+24VA22-2DIM2:12引自本安电源2 4 V+A21COMA21B1COMB1B3COMB31A12COMA12118.0117.7118.3217.66:TWIal图2光耦隔离电路板引脚接线原理图2）温度变送器。选用的温度变送器型号为PT100，其原理是利用热敏电阻将电动机中的温度变化转变成为电阻变化，再通过电路转变成为标准的模拟量电压信号。模拟量信号需要利用A/D转换模块转换成数字量信号后才能输入到PLC控制器。3)配电器。选用的型号为DM355，作用是将一路电流信号经过转换后输出两路一样的电流信号。本系统中使用了两套PLC控制器，所以传感器的检测结果和开关信号需要转换成两路信号，分别输入到两个PLC控制器中。4)增量型轴编码器。选用的编码器型号为ZKT-15A-51.2B-G24C，需要利用2 4 VDC电压对其进行供电，其作用是对电机的输出转速进行测量。5）频率量输人隔离栅。选用的设备型号为GS8054-EX，作用是对检测到的脉冲信号进行隔离，避免对系统稳定性造成影响。2.3隔爆变频器结合实际情况选用的变频器型号为D7260，属于矿用隔爆安全型变频器，主要为ABB公司生产的产品，能满足矿井复杂的工况环境。变频器可以对启动器的输出信号进行采集，同时接受PLC控制器的控制,对输出电压频率进行调整，从而改变电机的输出转速。另外变频器还可以对相关信号进行返回，比如变频器自身的运行状态、故障信号等，输人到PLC控制器中。3卡轨车控制系统的软件程序设计3.1系统的总体工作流程图3所示为基于两个PLC控制器的卡轨车控制系统总体工作流程。如图3可知，系统开始工作后，先对工作模式进行选择，有两种模式，分别为工作状态和检修状态。进人工作状态后需要选择手动控制模式和自动控制模式。不管是何种控制模式，都需要在1号和2 号PLC控制器中选择一个对卡轨车进行控制运行。两个PLC控制器之间可实现数据交互，当其中一个控制器出现故障时，另一个控制器可立即投人使用，从而保障控制系统运行的可靠性。开始N工作模式检修状态Y工作状态手动N自动状态Y手动状态号PLC运行NY号PLC运行1号PLC运行结束图3控制系统的总体工作流程卡轨车控制系统启动运行时，需要控制相关设备依次启动，启动的顺序依次为泵站、安全闸、变频器、风冷电机、工作闸、主电机等，启动过程中只有当前面设备正常运行后，后续设备才能开启。当卡轨车需要停机处理时，控制系统同样需要对上述设备依次进行停机处理，顺序正好与上述相反。3.2系统运行主界面设计图4 所示为煤矿卡轨车控制系统运行时的主界面图。该界面不仅可以对卡轨车运行时的关键状态参数进行显示，比如可以显示主电机和减速机的温度、设备运行速度和主电机转速等数据，还可以对卡轨车的运行情况进行控制，比如控制卡轨车的前进和后退，切换1 号和2 号PLC控制器的运行情况等。4控制系统的应用效果分析将设计的基于S7-300型PLC控制器的控制系统安装到煤矿卡轨车工程实践中，现场对控制系统的各项功能进行调试后正式投入使用。调试过程中发现2022/2/2410:27:24KSD140J卡轨车控制系统总里程：f123456.7kM位量：1 2 34.5 H前进：后退：电液电压：1 2 34 V转裁点123轨道长度：1 2 34 M手动自动检修工作强制1 餐强制之#允许前进：系统运行：允许后退：电磁阀：123Ar/ein允许停车：泵站电机：1.23m/5变频预备：风冷电机：变频运行：电液推动器：变坡点：主电机转速行驶速度主电机电施：1 2 3.4 A1卷PLC:厂送行二厂旅摩速度选择主电机温度：1 2 3.4 28PLC:话黄牌1F2F345减速机温度：1 2 3.4 图4卡轨车控制系统运行主界面（编辑：王婧）上接第2 0 0 页.nF（编辑：王慧芳）203霍志峰：基于PLC控制器的煤矿卡轨车控制系统研究2023年第7 期控制系统中设置的两套PLC控制器能够正常切换，通过控制器的穴余设计，能极大提升控制系统运行的可靠性。目前，控制系统在卡轨车中的运行时间超过半年，经现场技术人员反馈，控制系统整体运行良好，能对卡轨车的运行过程进行稳定和准确地控制。控制系统的成功投入应用，使卡轨车的运行效率提升了15%以上，设备故障率降低了1 0%以上，为煤矿企业创造了良好的经济效益。5结语以煤矿中使用的卡轨车为研究对象，利用PLC控制器设计了卡轨车的控制系统，将其应用到工程实践中，效果良好。所得结论主要有：设计的控制系统以PLC控制器为核心，且采用穴余设计，通过使用两套PLC控制器来提升控制系统运行的可靠性；系统利用传感器和开关对设备的运行状态进行检测，同时使用隔离电路板和隔离栅等装置对信号进行隔离，提升系统运行的稳定性；系统在启动和停机过程中，按照顺序依次对各个装置进行启动和停机处理；将设计的控制系统部署到煤矿工程实践中，经现场运行后发现整体性能良好，为企业创造了良好的经济效益。参考文献1李云海.KSP-130/200P无极绳普轨卡轨车的应用 J.当代化工研究,2 0 2 2(1)：1 1 4-1 1 6.2岳广义.峪煤业矿井辅助运输方式优化探讨 J.煤，2 0 2 1,30(11):73-75.3李文宇.煤矿井下钢丝绳牵引卡轨车技术的分析 J.机械管理开发,2 0 2 1,36(1 0):1 2 9-1 30.4李端强.矿用卡轨车的特点及其在矿井运输中的应用 J.中国石油和化工标准与质量，2 0 2 0,4 0（1 4）：1 1 7-1 1 8.5杨志林.四象限变频技术应用于煤矿卡轨车上的效益分析.机械工程与自动化，2 0 1 7（4）：1 8 9-1 9 0.Research on PLC Controller-based Control System for Coal Mine Chuck Rail CarsHuo Zhifeng(Shanxi Xinyuan Coal Co.,Ltd.,Jinzhong Shanxi 045300,China)Abstract:Truck railcar is an important auxiliary transportation equipment in coal mines,and a good control system is the basis andprerequisite to ensure the stable and reliable operation of the equipment.The control system of the card railcar is designed based on PLCcontroller,which adopts redundant design and is controlled by two sets of PLC controllers to enhance the reliability of system operation.Thecontroller model is S7-300 with modular design,consisting of CPU,power supply,counter,digital input/output and other modules,and theinverter model is D7260,which is an explosion-proof safety type inverter.The overall workflow of the control system software is analyzed,and the detailed design of the main interface is carried out.The successful practical application of the control system has led to a significantreduction in the operating cost of the equipment and significant economic benefits.Key words:PLC controller;railcar;control system工作的规范性，有效提高了检测效率与准确性,利用信息数据平台共享信息，达到了提高绿通车车道顺畅的目的。参考文献1祁卫东，姜红宇，张威.基于长效机制的公路“绿色通道”政策探析J.交通企业管理，2 0 0 9，2 4（1 1）：36-37.2王惠颖.农产品流通绿色通道政策及其成效分析 J.财讯，2 0 1 7(16):121.3王添碧.基于历史通行数据的假冒绿通车行为预测与治理措施研究 D.成都：西南交通大学，2 0 2 0.4林博瑜.高速公路绿色通道管理困境及对策 J.北方经贸，2 0 1 5(4):185-186.5陈震，刘翔.我国高速公路绿色通道的现状及思考 J.中国交通信息产业，2 0 0 9（1 0）：30-32.6谭裕安，李小运，杨柏.绿通车电子信息采集及智能打逃平台的设计与实现 J.中国交通信息化，2 0 1 4（S1）：1 32-1 34.7雷毅，邓涛，陈瑞.基于大数据绿通车快速抽检系统的设计与实现 J.中国交通信息化，2 0 1 5（9）：1 1 4-1 1 5;1 2 5.8许良华.高速公路绿色通道车辆快速检查问题探析 J.中国交通信息化，2 0 1 6(5）：1 4 0-1 4 1.Design of a Comprehensive Inspection System for Green Pass Vehicles with RadioactiveRadiographyLi Weifeng(Guangdong Chuang Yu Electromechanical Engineering Co.,Ltd.,Qingyuan Guangdong 511500,China)Abstract:A complete integrated inspection system is formed by an information data platform,a wireless communication module,a mobileterminal,a control terminal and a detection device.The specific inspection work is carried out using an X-ray detection module,whichpenetrates the closed compartment by means of radiation.The system will have a number plate recognition camera to transmit the vehicleinformation to the information data platform and correlate the inspection data so that subsequent toll stations can be queried on theinformation data platform before repeating the inspection,thus avoiding repeated inspections and improving the smoothness of the greenlane.Key words:radiometric imaging,green car;integrated detection system