煤炭自動(dòng)裝車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

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［摘要］針對目前煤炭人工控制裝車，自動(dòng)化水平較低且易造成裝載量不合理的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一套以PLC為控制核心的煤炭自動(dòng)裝車控制系統(tǒng)，并利用工控機(jī)作為上層監(jiān)控核心設(shè)備。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)無人干預(yù)下的自動(dòng)裝煤，且可實(shí)現(xiàn)裝載量恒定，有效解決目前裝車中超載以及虧載的問題。應(yīng)用測試表明，系統(tǒng)具有自動(dòng)化控制、可靠性高、安全經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢，可為企業(yè)增加可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

［關(guān)鍵詞］煤礦；裝車；控制系統(tǒng)；自動(dòng)化；PLC

引言

煤炭作為我國的基礎(chǔ)能源，在我國能源結(jié)構(gòu)中占有舉足輕重的位置［1-2］。我國的煤炭資源分布并不均勻，煤炭需要由原產(chǎn)地煤場運(yùn)輸?shù)饺珖鞯丶右岳?。因此，煤炭的裝載運(yùn)輸就成為較為重要的一環(huán)［3］。但是，目前煤礦煤場裝車主要是人工干預(yù)下的半自動(dòng)化控制，時(shí)常造成裝載量超載或者虧載的現(xiàn)象，造成很大的人力物力的浪費(fèi)，給企業(yè)帶來了很大的經(jīng)濟(jì)損失。本文針對這種現(xiàn)狀，提出開發(fā)一種基于PLC控制并利用上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控的煤炭自動(dòng)化裝車控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制裝車，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整控制裝煤流量以及裝煤量，有效實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確裝煤，減少工人工作量，同時(shí)保障裝車工作安全，提升自動(dòng)化水平，切實(shí)為企業(yè)增加經(jīng)濟(jì)效益。

1總體方案簡介

目前煤礦煤炭裝車多采用人工控制的半自動(dòng)化方式，利用稱重系統(tǒng)邊稱重，邊人工調(diào)整，裝車人員依靠經(jīng)驗(yàn)，時(shí)常造成裝載量不準(zhǔn)確且效率低，因此，自動(dòng)化定量裝煤控制系統(tǒng)成為迫切需求［4］。本文所設(shè)計(jì)的煤炭自動(dòng)裝車控制系統(tǒng)主要由傳感器檢測模塊、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊、控制模塊、執(zhí)行模塊以及上位機(jī)監(jiān)控模塊組成。該系統(tǒng)簡要工作過程為：當(dāng)運(yùn)煤車進(jìn)入煤倉下方穩(wěn)定后，系統(tǒng)通過重量、位移等傳感器模塊采集檢測車輛信息，反饋給程序控制器，在確認(rèn)車輛后，啟動(dòng)給煤設(shè)備以及輸送設(shè)備，變頻器可根據(jù)給煤總量調(diào)整給煤機(jī)給煤速率，并通過皮帶秤對給煤量稱重后進(jìn)入運(yùn)煤車，檢測設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測裝煤量以及車廂質(zhì)量直至達(dá)到設(shè)定量，系統(tǒng)停止給煤機(jī)輸送機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化定量裝煤控制。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

綜合考慮了煤礦的復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境、煤礦運(yùn)作對安全性、可靠性的嚴(yán)格要求以及開發(fā)成本等多方面因素，選用在工業(yè)控制中開發(fā)技術(shù)已十分成熟的PLC作為煤炭裝車自動(dòng)化控制系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)，并利用上位機(jī)作為監(jiān)控系統(tǒng)核心設(shè)備，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可視化、在線監(jiān)測控制功能?？刂葡到y(tǒng)的硬件設(shè)備包括PLC、變頻器、工控機(jī)、通信設(shè)備線路等。該系統(tǒng)PLC選用德國西門子公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的中型S7-300系列，CPU選擇功能較為穩(wěn)定且強(qiáng)大的CPU315-2DP，該系列PLC采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，適用各種工業(yè)環(huán)境。變頻器則選用ABB公司生產(chǎn)制造的ACS800-11型，對給煤機(jī)電機(jī)工作電源的頻率進(jìn)行轉(zhuǎn)換與調(diào)整，以達(dá)到對給煤量的變頻控制［5］。系統(tǒng)通過變頻器與PLC的配合，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的安全高效控制。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1自動(dòng)裝車控制設(shè)計(jì)

煤炭自動(dòng)裝車過程中，首先車廂駛?cè)朊簜}下部，在軌道衡上停車，位移傳感器檢測到車廂停止平穩(wěn)后，系統(tǒng)采集并讀取到位移信息，開始動(dòng)作，啟動(dòng)給煤機(jī)以及皮帶輸送機(jī)輸送原煤進(jìn)入原煤緩沖倉，系統(tǒng)控制配料系統(tǒng)配料閥卸煤，通過2臺(tái)皮帶秤配合對煤炭流量進(jìn)行稱重，而后煤炭進(jìn)入煤炭定量倉，定量倉通過無塵卸料裝置實(shí)現(xiàn)煤炭裝車，避免煤炭揚(yáng)塵污染環(huán)境，系統(tǒng)同時(shí)設(shè)置有檢測裝置，可對車廂的煤料位置以及車廂總重量進(jìn)行監(jiān)測，系統(tǒng)可以根據(jù)車廂煤料高度以及車廂總重量，由PLC給出指令到變頻器，再由變頻器實(shí)現(xiàn)對給煤機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，調(diào)節(jié)給煤速率，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化定量裝煤。目前在實(shí)際裝煤工作中，依據(jù)操作人員經(jīng)驗(yàn)?zāi)繙y或根據(jù)車廂重量控制給煤機(jī)給煤量，因此存在裝煤不準(zhǔn)確，手動(dòng)操作卸煤容易發(fā)生重量沖擊的現(xiàn)象，對車廂造成損傷。針對目前存在的不足，并結(jié)合變頻調(diào)速原理，設(shè)計(jì)了給煤機(jī)的調(diào)速控制模塊，可實(shí)現(xiàn)對給煤機(jī)轉(zhuǎn)速的連續(xù)平穩(wěn)控制。在控制過程中，根據(jù)車廂位移傳感器采集的信息以及重量信息，獲得煤料的高度、重量信息，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，傳遞給控制器，控制器通過PID控制與設(shè)定量進(jìn)行比較得出控制信號，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)化，控制給煤機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)給煤流量的調(diào)整，同時(shí)協(xié)調(diào)控制配料閥以及卸料閥，實(shí)現(xiàn)安全準(zhǔn)確裝煤。系統(tǒng)控制原理如圖3所示。

2.2狀態(tài)監(jiān)控設(shè)計(jì)

利用上位機(jī)對系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。狀態(tài)監(jiān)控包括對運(yùn)行現(xiàn)場、控制過程以及系統(tǒng)設(shè)備安全情況的監(jiān)測與報(bào)警，有效保障生產(chǎn)安全。運(yùn)行現(xiàn)場監(jiān)測利用視頻對系統(tǒng)運(yùn)行情況、裝載情況進(jìn)行監(jiān)測；系統(tǒng)設(shè)備的監(jiān)測包括對給煤機(jī)電機(jī)、皮帶輸送機(jī)電機(jī)溫度與電流監(jiān)測、變頻器故障信號監(jiān)測；控制過程監(jiān)測則包括對運(yùn)行過程中電動(dòng)機(jī)等電氣設(shè)備轉(zhuǎn)速、電流、功率執(zhí)行情況，各輔助設(shè)備包括配料系統(tǒng)閥門、卸料系統(tǒng)參數(shù)的監(jiān)測。狀態(tài)監(jiān)測主要通過傳感器，檢測設(shè)備測點(diǎn)位置的溫度和電流等相應(yīng)信號模數(shù)轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊處理，由通訊模塊傳輸?shù)娇刂破?，監(jiān)測模塊判斷設(shè)備的運(yùn)行狀況，同時(shí)將監(jiān)測情況在線顯示。

3網(wǎng)絡(luò)通信

PLC作為煤炭裝車自動(dòng)化控制系統(tǒng)的核心，利用現(xiàn)場總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備之間的連接與通訊。PLC與變頻器通過PROFIBUS-DP完成連接并實(shí)現(xiàn)主從通信。系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測模塊對監(jiān)測點(diǎn)模擬量信號進(jìn)行檢測、采集，由通訊擴(kuò)展模塊送至PLC控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、運(yùn)算，判斷狀態(tài)正常與否，在異常情況下啟動(dòng)聲光報(bào)警。上位機(jī)通過以太網(wǎng)通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)與PLC連接通訊。

4軟件程序設(shè)計(jì)

PLC作為煤炭裝車自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心設(shè)備，利用西門子公司的STEP7開發(fā)工具對其進(jìn)行開發(fā)，采用工程技術(shù)人員較易掌握的LAD（梯形圖）進(jìn)行程序編寫，通過PLC通訊模塊，實(shí)現(xiàn)對裝車設(shè)備運(yùn)行過程中產(chǎn)生的模擬量、數(shù)字量狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行組態(tài)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收，而后進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理、運(yùn)算，并給出控制指令。利用較為節(jié)能高效的變頻技術(shù)完成對電機(jī)的平穩(wěn)控制以及速度調(diào)整。在STEP7中完成對軟件程序的測試與調(diào)整工作。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)利用工控機(jī)作為核心設(shè)備，選用國產(chǎn)組態(tài)王（kingview）軟件，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備組態(tài)。組態(tài)王軟件專門用來開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，系統(tǒng)功能強(qiáng)大，成本較低，結(jié)構(gòu)簡單，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要完成了系統(tǒng)監(jiān)測界面的圖形化設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫構(gòu)建、動(dòng)畫連接，同時(shí)進(jìn)行了測試與調(diào)試?？刂葡到y(tǒng)主程序軟件流程如圖4所示。

5結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種針對煤炭生產(chǎn)企業(yè)裝車的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，完成了對系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)以及具體實(shí)現(xiàn)過程的介紹。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對煤炭裝車的自動(dòng)控制、定量裝煤、變頻節(jié)能調(diào)速等功能，工作人員可實(shí)時(shí)在線監(jiān)控煤炭裝車過程。同時(shí)，系統(tǒng)自帶報(bào)警功能，在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可實(shí)現(xiàn)預(yù)警作用。對系統(tǒng)進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)功能穩(wěn)定，預(yù)期效果良好。預(yù)計(jì)該系統(tǒng)的應(yīng)用，可大大提高煤礦裝車的自動(dòng)化程度，保障煤礦的安全經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)可以減少煤塵污染，保護(hù)煤礦的財(cái)產(chǎn)安全與工人的生命健康，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

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作者：宋志宏 單位：大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司