基于PCC控制的交流变频电牵引采煤机应用

时间：2011-08-19

　　1 引言

　　能源危机日益严重，对各种能源的合理开采利用已经成为关键。本文说的是用于采集煤炭资源的采煤机。采煤机是综采工作面的主要设备，它的正常运转决定着综采工作面的生产效率。采煤机的性能是否可靠，一方面取决于机械部分的设计与制造，以及是否合理地使用，另一方面取决于电气控制系统是否完善有效。如果将采煤机比作人，机械部分就是人的四肢和躯干，电气部分就是人的大脑，所以，电气控制系统在采煤机中至关重要。目前国产采煤机的电气控制系统的控制器基本上都是各种品牌的PLC，虽然由PLC控制的采煤机具有监测和故障诊断功能，基本能满足使用的要求。但由于采煤机工作环境恶劣，零部件多，结构复杂，致使采煤机司机不能及时掌控采煤机的各项运行参数，可能使采煤机带病工作，进而出现故障，为了提高采煤机的开机率，必须增加采煤机远程监测和故障诊断功能。还有，由于综采工作面矿工劳动强度太大，急需降低，必须建立自动化综采工作面，那么采煤机就必须具有记忆截割的功能。另外，由于采煤机电控箱空间的限制，如果采用现场总线，将在提高电气控制系统可靠性地同时更有利于安装和维修。要使采煤机具有远程监测和故障诊断与记忆截割的功能，并且使用现场总线，如果电气控制系统不作出革新，就很难满足需求。为了适应发展，西安煤矿机械公司开发了以贝加莱工业自动化的PCC（Programmable Computer Controller）为控制器的新型电气控制系统。本文文从控制系统、硬件和软件设计三个方面着手，详细介绍了西安煤矿机械有限公司基于PCC开发的新型采煤机电气控制系统。

　　2 采煤机电气控制系统设计

　　采煤机是多电动机联动、技术要求较高的机械设备。它工作在潮湿、多尘、震动、高瓦斯的矿井，并且工况环境复杂多变，以及自身重量很大，惯性大，还要求能够方便地操作、低故障率等，这就给采煤机电气控制系统的设计提出了很高的要求。采煤机的电气控制系统框图如图1所示。

　　（1）控制计算机（采用贝加莱的PCC）

　　控制计算机（由2003系列PCC的CPU模块和通讯块组成）是采煤机电气控制系统的，采煤机正常工作时，变频器的牵引方向、加减速控制、左右摇臂升降、制动抱闸的开断、左右截割电动机的温度监测、牵引变压器温度监测、牵引和截割电动机的电流采样，以及采煤机恒功率保护、过零保护、瓦斯断电保护、截割电动机过载保护等均通过控制计算机来实现。

　　控制计算机接收开关量输入模块和模拟量输入模块的数据，并通过开关量输出模块将指令传给电磁阀组，通过通讯接口将采煤机的参数传给显示计算机，通过通讯接口将指令传给主变频器。

　　（2）开关量输入输出模块

　　开关量输入模块主要接收端头站、遥控器和控制面板按钮发出的指令信号。开关量输出模块主要将控制器的指令传送给电磁阀组，以控制采煤机摇臂的升降、截割电动机的启停、制动抱闸的开断。

　　（3）模拟量输入模块

　　模拟量输入模块主要接收截割和破碎电动机的电流，牵引变压器、截割和破碎电动机的温度，摇臂的角度，瓦斯的浓度等模拟信号，然后送到控制计算机。

（4）显示计算机（采用贝加莱PP系列人机界面）

　　显示计算机提供丰富且人性化的人机界面，将以下数据信息形象地显示给用户。

　　采煤机控制计算机的输入、输出状态

　　截割电动机、牵引电动机的电流、温度

　　牵引变压器的温度

　　采煤机的牵引状态、牵引速度

　　采煤机的工作状态及故障信息

　　变频器的数据、工作状态及故障信息等

　　3 硬件系统设计

　　贝加莱的可编程计算机控制器（PCC）综合了传统PLC和工业PC两者的优势，如前者的高可靠性、灵活的扩展性和环境适应能力，后者的多任务处理方式、高速运算能力、采用语言编程和开放的通讯等。PCC是目前工业领域的控制技术之一，具有分时多任务处理机制、高速的运算能力、大容量内存和存储单元以及强大的通讯组网能力。

　　PCC之所以能成为当今增长速度快的工业运动控制设备，是由于它具备了许多独特的优点。它较好地解决了工业控制领域普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。PCC的主要特点如下：

　　（1）可靠性高、抗干扰能力强

　　高可靠性是PCC突出的特点之一，PCC的平均无故障时间（MTBF）可达几十万小时。由于工业生产过程经常昼夜连续，工业现场环境恶劣，各种电磁干扰特别严重。针对这些情况，PCC采取了一系列措施，其主要方法是对所有输入/输出（I/O）接口电路均采取光电隔离，有效地抑制了外部干扰源对PCC的影响。

　　（2）设计、安装容易，调试周期短，维护简单

　　（3）模块品种丰富、通用性好、功能强大

　　（4）体积小、能耗低

　　（5）强大的Automation Studio软件开发平台

　　 4 系统构成

　　（1）控制计算机（即2003系列PCC）

　　如图 2所示，控制计算机由7CP570.60-1和3IF722.9 组成。7CP570.60-1是2003系列的PCC，它的CPU是Celeron 300，64 MB DRAM，通讯接口有：USB、RS232、Ethernet。3IF722.9是通讯板卡，包含的通讯接口有：CAN、RS485、RS232。控制计算机通过RS485接口控制主变频器，通过Ethernet接口和采煤机上的显示计算机通讯。

　　（2）开关量输入输出模块

　　如图 2所示，开关量输入输出模块选用了两块7DM465.7，每块7DM465.7有16路输入和16路输出。

　　（3）模拟量输入模块

　　如图 2所示，模拟量输入模块根据需要选用了一块7AT324.70，三块7AI354.70 ，这四个模块都插在适配器模块7AF101.7上。每块7AT324.70有四路温度输入，每块7AI354.70有四路模拟量输入。

　　（4）显示计算机（即贝加莱的Power Panel系列人机界面）

　　如图 2所示，由于需要在两个相距几百米的地方都要人机界面显示，故选用两个显示计算机 4PP320.1043-31和4PP420.1043-75，其中4PP420.1043-75还具有数据传输中继的功能。

　　5 软件设计

　　PCC采用Runtime定性分时多任务的操作系统，多任务处理就是计算机在同时启动几个程序时，还可以在后台有序的运行某些程序。一个完整的应用程序通常是由几个任务（程序块或子程序）共同组成的，并不是所有的任务都需在同一时间范围内执行，对于一些不需要经常执行的任务，可以区分任务的优先级，确保程序能迅速而高效的运行。

　　PCC编程软件Automation Studio是面向对象的编程语言，可采用IEC61131的编程语言，以及Basic和ANSI C语言。

　　Automation Studio中集成了不同的开发工具：

　　项目的硬件配置

　　项目的软件配置

　　图文显示

　　维护和诊断

　　库和功能函数

　　Automation Studio中提供了很多标准的功能函数，这些功能函数大大提高了编程人员的编程速度和效率。

　　根据控制系统的需求和贝加莱PCC的特点，软件设计选用ANSI C，利用PCC具有的多任务处理技术，将较复杂的控制逻辑分成八个任务来分别完成。其中几个任务流程框图如图 3 ~图 6所示。