综采设备联动控制系统设计.doc

目录0 前言11 绪论21.1 综采概述21.2 综采工作面设备组成21.3 采煤工作面工作过程32 综采设备联动控制系统概述42.1 可编程控制器技术的发展42.2 综采设备联动控制系统的发展现状42.2.1 国外综采技术发展现状42.2.2 国内综采技术的发展现状52.3 综采设备联动控制系统的优势52.4 综采设备联动控制系统设计的意义62.5 主要设计内容和思路62.6 设计原则73 综采设备联动控制系统总体分析设计83.1 联动控制系统要实现的控制功能83.2 联动控制系统的plc控制方式83.3 联动控制系统控制下综采设备工作原理分析93.4 综采工作面通讯控制系统设计103.4.1 通讯控制系统简介103.4.2 通讯系统工作原理113.4.3 通讯控制系统功能113.4.4 通讯设备选型124 综采工作面设备的plc单独控制设计144.1 采煤机的plc控制系统144.1.1 采煤机介绍144.1.2 采煤机的plc控制144.2 工作面三机的plc控制系统154.2.1 工作面三机介绍154.2.2 工作面三机的plc控制164.3 液压支架的plc控制系统174.3.1 液压支架介绍174.3.2 液压支架的plc控制175 联动控制系统的plc硬件设计195.1 plc简介195.1.1 plc的基本结构195.1.2 plc的工作原理195.1.3 plc的工作过程205.2 联动控制系统的plc选型215.3 plc的i/o节点数的确定225.4 plc输入/输出模块选择225.4.1 数字量模块225.4.2 模拟量模块235.4.3 i/o模块接口电路235.5 plc存储容量的选择255.6 系统其它硬件设备255.6.1 传感器介绍255.6.2 传感器的应用255.6.3 传感器的组成255.6.4 设计中涉及的传感器介绍265.6.5 急停开关265.7 控制系统plc i/o节点的分配265.8 控制系统的电气原理图295.8.1 顺序控制295.8.2 单设备电机启停控制305.9 联动控制系统的plc外部接线图316 联动控制系统的plc软件设计326.1 编程软件简介326.1.1 step 7概述326.1.2 step 7的主要特点326.1.3 step 7的主要功能326.1.4 应用step 7实现自动化任务的基本步骤336.2 联动控制系统的梯形图程序336.2.1 顺序控制的功能图346.2.2 单设备启停功能356.2.3 逆煤流启动功能376.2.4 顺煤流停止功能387 技术经济分析417.1 系统技术分析417.2 系统经济评估428 结论43致谢44参考文献45附录a 译文46附录b 外文文献55毕业设计（论文）0 前言一个完整的综采工作面主要由采煤机、可弯曲刮板运输机、液压支架、转载机、破碎机、可伸缩带式输送机、液压泵等设备组成。其中采煤机、可弯曲刮板运输机、液压支架是综采工作面的主要设备，俗称“三机”。实践表明，提高综采工作面设备的电气化程度可以很大幅度上实现高产。因此，如何利用先进的控制手段以实现综采工作面设备的联动运行就是需要解决的问题。plc作为目前较为先进、应用十分广泛的技术，它与现有的控制方法相比，具有可靠性高、控制程序灵活可变、编程方法简单、功能强，性价比高、体积小，重量轻，能耗低等诸多优势。可以很好的对综采设备进行联动控制，使矿井生产高效安全可靠，实现全矿井的数据采集、生产调度、经营管理、决策指挥的自动化、电气化。利用可编程控制器plc对综采设备的运行进行实时的监控，通过程序设计以实现对综采设备的联动控制，对我国煤炭资源的电气化、智能化开采，综采设备的一体化运行都有着重大意义。本设计所研究的联动控制方法的理论依据是可编程控制器plc控制法。由于采煤机机身的主机具有记忆功能，在工作面条件较好的情况下，可以自动重复上次割煤。同时，刮板机、转载机、破碎机、皮带输送机和工作面负荷中心把开停的远控接点开关量，通过三机plc集中在控制台上进行控制，同时通过电气闭锁实现采煤机闭锁，刮板输送机、带式输送机的闭锁，刮板输送机、转载运输机电闭锁等。通过上述的控制方法就可以实现综采工作面设备的联动控制。1 绪论1.1 综采概述综采，即煤矿综合机械化采煤，一般指机械化率达到95%以上。综采为应用大功率、高强度的机械设备，为高产、高效煤炭开采，为建设百万吨矿井及安全提供了保障。它是在工作面采煤、装煤、运煤、支护和采空区处理等机械化的基础上，进一步使综采工作面各个机械组成一个整体进行生产，在结构上有机配合。它是煤矿开采技术进步的标志，是煤矿增加产量、提高劳动效率、增加经济效益的重要手段。综采工作面具有安全、高产、高效的特点，是现阶段先进的主要采煤方式。目前高产高效综采矿井己形成“一井一面”或“一井两面”的生产模式。其特点是综采工作面装备采用电牵引采煤机、电液控制的大吨位液压支架及大运量输送机等机电一体化高效技术。其中，电牵引采煤机采用交流拖动装置，牵引装置为带有锻造齿条的牵引装置。可实现电气化、自动化控制,操作简单,可实现记忆割煤和液压支架联动控制。整个工作面的生产过程逐步向自动化控制发展。1.2 综采工作面设备组成工作面设备组成如图1-1所示。1-采煤机；2-刮板运输机；3-液压支架；4-破碎机；5-转载机；6-可缩胶带；7-绞车；8-六组合开关；9-喷雾泵；10-乳化液泵；11-清水过滤器；12-绞车；13-电缆车； 14-电站；15-自动配比装置；16-乳化液泵箱；17-喷雾泵箱；18-自动控制室；19-电缆车图1-1 综采工作面设备组成图fig.1-1 fully mechanized coal face equipment composition map一个完整的综采工作面主要由采煤机、可弯曲刮板运输机、液压支架、转载机、破碎机、可伸缩带式输送机、液压泵等设备组成。其中采煤机、可弯曲刮板运输机、液压支架是综采工作面的主要设备，俗称“三机”。除工作面设备之外，还有向上述设备供电的移动变电站、高低压屏蔽电缆及高低压控制开关设备，还有工作面的通信及安全监控设备等1。1.3 采煤工作面工作过程综采工作面设备的工作过程主要包括：割煤、装煤、运煤、支护等工序2。具体工作过程可表述如下：首先，滚筒式采煤机（刨煤机）在工作面的刮板上行走，同时滚筒伸入煤壁里旋转，把煤剥落下来。接下来，剥落下来的煤落到煤壁前方的刮板上，刮板前有铲子，自动把没有落到刮板上的煤推到刮板输送机上。之后，刮板输送机把煤沿着工作面输送到工作面端头的转载机上，再经破碎机破碎后运到皮带运输机上，运出矿井。在整个工作流程中，维持顶板及边邦，保护工作面正常工作及人员的安全工作由液压支架完成。2 综采设备联动控制系统概述2.1 可编程控制器技术的发展随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已经扩展到了几乎所有的工业领域。当前用于工业控制的计算机可以分为几类，例如可编程控制器（plc）、基于pc总线的工业控制的计算机、基于单片机的测控装置、集散控制系统（dcs）和现场总线控制系统（fcs）等。当今社会工业领域谋求迅速发展，希望在产品生产、工业生产等方面实现多批量、低成本、高效率、高质量等的自动化控制。为了满足这一要求，生产设备和自动化生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性。可编程控制器（plc）正是在这种情况下应运而生的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。plc的应用面广、功能强大、使用方便，可谓是当今工业自动化的主要设备之一。它已经在工业生产的许多领域里得到了充分应用。当然这其中也包括它在煤矿综采设备联动控制方面的应用。可以说，plc正在机械设备及生产过程等的自动化控制系统中扮演着重要角色。2.2 综采设备联动控制系统的发展现状2.2.1 国外综采技术发展现状综合机械化采煤是一国煤矿开采技术现代化的重要标志。因此，世界各国都在不断探究先进的控制方法。上世纪90年代末以来，世界主要产煤国家高产高效综采技术迅速发展，特别是美国、澳大利亚、德国、英国和南非发展最快。综采工作面高产高效纪录不断刷新，综采装备新技术层出不穷。平均年产145.4万t洗精煤，平均工效274t(工*d)，工作面搬家(包括设备安装)时间平均684人工/面。工作面平均长度240 m，最大长度335m。 2001年平均班产进一步提高，其中，前10个工作面年平均班产达到5998t洗精煤，相当于年产400万t以上的水平。沙莫罗克公司(shamr0ck)的被克佛克矿在123个小班中产煤166万t，相当于月产83万t;塞普路斯阿马克斯煤炭公司卡姆博兰德矿1995年6月达到月产洗精煤57.3万t的纪录，阿科煤炭公司的西皮庇矿2004年11月创造了日产4.5万t的世界纪录,当月产量50余万t。美国2004年共有180个长壁工作面，其中有158个工作面是电液控制的工作面，占87.5，使用两柱掩护式支架143套，四柱支撑掩护式支架27套，两柱掩护式支架占95，支架工作阻力大部分在70008000 kn，最大的两柱掩护式支架工作阻力达到9800kn。普遍装备大功率电牵引重型采煤机组和大功率、大运量、高可靠性刮板输送机。先进的采煤装备使美国跨入世界上综采技术装备最先进的国家行列，其不断刷新高产高效工作面的纪录。英国和德国是世界上综采技术最先进的国家，由于受其自然煤层赋存条件的限制，其高产高效工作面的纪录不如美国和澳大利亚，但世界著名的采煤机械公司主要集中在德国和英国。近年来，由于国际采矿业市场的不景气和激烈竞争，导致各公司的相互兼并，形成几个大跨国公司，其采煤装备水平也在不断进步。2.2.2 国内综采技术的发展现状相比于西方发达国家，我国的综采工作面自动化控制系统发展相对较为落后，上世纪6070 年代,我国煤矿开采基本上是采用人海战术,工人劳动强度大,生产效率低,，安全状况差。进入80 年代,开始采用机械化综采设备，大大提高了生产效率。但是与世界发达国家相比,我国的人员效率仍然很低，生产自动化程度很不高,这也是造成我国煤炭企业长期难以摆脱困境的原因之一。而在近年来，我国的综采自动化技术也取得的较大发展，由于plc技术的快速发展，使得我国煤炭开采也走上了自动化、电气化道路。采煤机采用交流变频牵引取代液压牵引，普遍具有离机遥控操作、中文状态显示和故障自诊断功能，实现了采煤机的自动控制。另外，具有记忆功能、能够在工作面实现“记忆仿形切割”及“视频监测”的智能型采煤机也取得突破，其与电液控制液压支架组成的自动化综采工作面成为现实，利用国产滚筒采煤机组成成套自动化综采装备的条件已经逐步成熟。在这方面，较为突出的是神东煤炭公司，神东煤炭公司2004年进行了自动化工作面的初步试验，在此基础上， 2005年经过半年多的调试，先后建成了榆家梁煤矿45204半截深自动化工作面；哈拉沟煤矿02203半截深自动化工作面；补连塔煤矿31306大采高双向全截深自动化工作面，共三个自动化综采工作面，单面月产量均达90万t以上。自动化工作面的应用有利于提高工程质量、降低工人劳动强度；发挥了先进设备的效能，提高了综采工作面的科技水平；为我国综采工作面自动化技术的应用积累了成功的实践经验。2.3 综采设备联动控制系统的优势在矿井的生产过程中，采煤工艺的先进与否直接影响整个矿井的生产能力。因此，如何利用先进的控制手段实现采煤工作面设备的联动控制运行就显得尤为关键，综采设备联动系统plc控制是依据当今工业领域十分热门，同时应用也较为广泛的可编程控制器技术研究而成，与传统的采煤工艺相比，它的优势更加明显，也更容易达到矿井的高产高效的目的。随着我国工业控制自动化技术的发展，煤矿机电自动化在矿上的应用日益增多。因为煤矿是支柱产业，是能源的命脉。提高机电设备自动化、电气化程度，最大减少用人，是实现矿井长治久安的关键所在，因此综采工作面设备联动控制系统有利于推动企业安全高效、又好又快发展。与以往的工艺相比，它主要有以下优势：1） 可实现回采工作面设备的远程在线实时监测；2） 跟机作业(采煤机)自动化功能；3） 通过plc程序可实现主体设备与配套设备的联合闭锁；4） 既可实现设备单一控制，又可进行工作面设备的联动控制2.4 综采设备联动控制系统设计的意义综采设备联动控制系统最直接的意义在于完全实现了煤炭生产过程中的割煤、装煤、运煤、支护、处理采空区等主要生产环节的顺序控制，减少了中间人力参与的环节，提高了劳动效率。使得煤炭井下开采向着高产、高效、集中化生产方向发展。在很大程度上提高了综采工作面生产能力，提高了综采设备及矿井生产系统的可靠性，同时减少了工作面辅助工序的影响时间。可编程控制器plc控制的联动系统实现了转载机、破碎机、工作面运输机顺序启停；工作面运输机与采煤机互锁；采煤机与液压支架联动；实现了破碎机、转载机、运输机、割煤机顺序启车，三机(采煤机、支架、运输机)联动；从而确保了各设备间协调、连续、高效、安全运行；降低了职工劳动强度，提高了生产效率；实现了在复杂地质条件下自动化采煤新工艺。这将是我国井下采煤发展的趋势。2.5 主要设计内容和思路在了解和掌握联动控制系统的组成和原理基础上，运用可编程控制器plc技术对综采工作面生产过程进行顺序控制，以满足实际生产需要。主要设计过程如下：1）对综采（综合机械化采煤）方面的资料进行搜集，主要是工作面的主要设备以及采煤工作面设备工作顺序的介绍。2）对控制系统进行总体分析。3）完成综采设备的plc单独控制设计4）完成对设备联动控制系统进行硬件设计。5）对综采工作面设备联动控制系统软件设计。2.6 设计原则系统的设计遵循如下原则3：(1)先进性采用先进的技术和设备，确保改造后系统的功能、性能优质。运行可靠，在技术、应用方面居国内同行业较先进水平。(2)稳定性对工业控制系统来说，系统的可靠性是采煤流程能否高产、高效稳定运行的关键所在，因此在进行方案设计时，必须确保设计的系统具有很好的稳定性。(3)高性价比一是在进行系统结构设计和选型时多做分析，从而使得系统结构、选型、系统整体性能具有高性价比。二是在保证系统功能的前提下，充分利用现有设施和资源。(4)灵活性系统的总体设计便于改造工程的分步实施，确保系统的改造不影响井下设备的正常生产，有利于实现旧系统向新系统的平稳过渡。(5)经济性在一定的资金资源下，尽量有效地利用，以适当的投入，建立一个尽可能完善、低成本的控制系统。3 综采设备联动控制系统总体分析设计如何根据煤矿井下生产要求，将采煤机、刮板机、破碎机、转载机、皮带运输机等综采设备的生产过程有机结合起来，进而通过plc控制台实现对各综采设备单一控制和生产过程的联动控制，实现工作面设备的自动化控制、保护、闭锁、沿线通信等功能，确保各设备协调、连续、高效、稳定运行是本次设计的控制系统所要实现的目标。图3-1 综采设备联动控制系统总体框图fig.3-1 mining equipment block diagram of the control system linkage3.1 联动控制系统要实现的控制功能通过plc主控台能够实现对工作面设备的集中控制。在控制系统上，可以实现对工作面所有生产设备的全面控制，启动工作面生产自动控制程序，实现设备自动化运行。联动控制系统对工作面生产设备的控制功能有：a单设备启停功能，包括采煤机、液压支架、刮板机、转载机等设备的单一控制。b逆煤流启动功能，启动顺序：皮带运输机-破碎机-转载机-刮板机-采煤机。c顺煤流停止功能，停止顺序：采煤机-刮板机-转载机-破碎机-皮带运输机。3.2 联动控制系统的plc控制方式当选定某一生产过程后，plc将检测有关输入状态，判断参于该流程的设备的工作方式，以及保护接点状态等是否满足开机、停机条件，若条件具备，则可以进行相关操作。控制方式有三种：1）集中自动控制方式，plc自动完成逆煤流启动、顺煤流停止过程，设备运行的同时检测设备运行情况，控制设备的运行快慢等。2）现场操作方式，由现场操作人员通过plc控制生产流程。3）设备独立控制方式，在控制室实现单一设备的起、停机，并具有联锁、解锁功能。这三种控制方式能方便地相互转换。设备开、停机后，原则上为按逆煤流方向相互闭锁。当系统对任一流程发出停机指令后，系统发出停机预告信号，plc将按程序完成停机闭锁控制。停机时设备沿顺煤流方向单独停机，即从各设备停止给料后，按本设备正常处理能力及允许的存料条件及时停机，以减少设备开、停机时的空运转时间。在停机过程中，如遇某台设备发生故障，则该设备和受其闭锁的设备立即停机，不受闭锁的设备仍可按顺序停机。3.3 联动控制系统控制下综采设备工作原理分析根据上述工作过程及其控制控制功能，系统结构单元如下：图3-2 综采设备联动控制系统结构图fig.3-2 mining equipment linkage control system structure采煤机机身的主机具有记忆功能，在工作面条件较好的情况下，可以自动重复上次割煤过程。同时，刮板输送机、转载机、破碎机、皮带输送机和工作面负荷中心将开停的远控接点开关量，通过三机plc集中在控制台上进行控制，同时实现采煤机闭锁，刮板输送机、皮带输送机的电气闭锁，刮板输送机、转载机、破碎机实现瓦斯电闭锁等。通过上述的控制方法就可以实现综采工作面设备的联动控制。3.4 综采工作面通讯控制系统设计3.4.1 通讯控制系统简介众所周知，综采工作面的环境比较恶劣，电子产品要想在工作面良好的使用、发挥各自的功能，就必须解决两个问题：一是工作面大电流、强磁场和高频信号的干扰；二是具有自诊断功能，以便于快速检修。为了很好的解决上述两个难题，保障综采工作面生产过程的稳定性、安全性，从而提高综采工作面的生产效率，就需要利用国际先进的控制技术探索出一种新型通讯控制系统，这一系统应该具有工作面通讯和集中控制功能，其装配的电流检测报警装置，能够对工作面设备的电流随时进行检测和报警。这便是综采工作面通讯控制系统存在的意义。图3-3 综采工作面通信控制系统结构图fig.3-3 communication control system fully mechanized coal face3.4.2 通讯系统工作原理通讯控制系统的核心是控制器，而控制板又是控制器的核心部分。设备的启停是在控制板上通过继电器的通断来实现的。电话是由语言处理模块和闭锁电路板及矿用拉力电缆接插件来完成通话及闭锁功能的，系统在控制继电器的回路中加入强制闭锁电路，如图3-4所示。来实现紧急情况下按下闭锁按钮，达到绝对停车4。图3-4 通信系统语言闭锁控制继电器原理图fig.3-4 language lock control relay communication system schematic从原理图中可知，要保证继电器运行，首先d*点闭合，同时m1、m2导通。m1、m2点受d33、d34控制，d33、d34即为强制闭锁检测电路。3.4.3 通讯控制系统功能综采工作面通讯控制系统在煤矿生产流程中主要完成以下几个功能：（1）实现从刮板运输机机尾经工作面到运输巷道的电气列车沿线的通话、联系。（2）在集中控制台上控制工作面各设备的启停车（包括采煤机、刮板运输机、转载机、破碎机等）。（3）系统沿线上的每一台扩音电话，用于沿线紧急停车闭锁控制。（4）对工作面设备工作电流进行检测和显示，当设备工作电流超过某一设定值后，通讯系统将输出一个报警信号，传递给主控制器。由主控制器根据不同的信号在系统沿线上进行语言报警。3.4.4 通讯设备选型为了是通讯系统更好的实现其控制功能，本设计通信控制系统选择天津华宁电子有限公司生产的ktc-z控制单元作为主控制器，kdw101单元做矿用隔爆兼本质安全型电源。除此之外，还包括1台tk150型电话终端、1台tj100型终端检测装置、510台tk130型防爆扩音电话和510盏工作面照明支架灯 (支架灯内含闭锁开关和打点按钮)，防爆扩音电话及电话终端之间用2芯矿用拉力电缆连接，支架灯及终端检测之间用7芯电缆连接，综合控制箱输出控制采用5芯电缆分别与转载机、运输机及破碎机的控制回路连接。系统组成框图如图3-5所示 3-5 综采工作面通信控制系统组成框图fig.3-5 fully mechanized coal face communication control system block diagram在该系统中，电话终端和终端检测装置用于检测各电缆回路的连接状态，防爆扩音电话用于综采工作面的语音通信和联络。遇有紧急情况时，工作面人员可就近按动支架灯上的闭锁开关，通过综合控制箱及时关停转载机、破碎机和运输机，并在面板led数码管上显示闭锁的具体位置，指示相关人员及时处理情况和解决问题。如下图所示，按动支架灯上的信号按钮，所有扩音电话发出洪亮的“嘟”声，所有支架灯熄灭或点亮，信号的长短和方式由按下按钮的节奏和时间确定，以约定的声光信号协议向工作面人员传递控制信息，指挥综采工作面设备的启动、关闭及相关作业。系统对转载机、胶带运输机、破碎机等设备进行集中程序化控制，启动时声光预警，扩音电话发出5 s洪亮的“嘟”预警声，支架灯同时闪烁，提醒工作面相关人员注意安全，预警结束后，顺序启动转载机和胶带运输机。该系统在提高工作效率的同时确保了工作面的安全生产，实现了综采工作面语音通信、打点联络与闭锁及相关设备的智能化集中控制。图3-6 综采工作面通讯系统配置图fig.3-6 fully mechanized coal face communication system configuration diagram4 综采工作面设备的plc单独控制设计综采设备联动控制系统设计的目的是实现对采煤生产线的联控和单控，即不仅仅能够利用plc进行综采工作面设备的联动顺序控制，同时也能够完成单一设备的plc控制功能。基于上述情况，现进行综采设备的plc单独控制分析设计。4.1 采煤机的plc控制系统4.1.1 采煤机介绍采煤机以旋转工作机构破煤，并将其装入输送机或其他运输设备的采煤机械，是实现煤矿生产机械化和现代化的重要设备之一，是一个集机械、电气和液压为一体的大型复杂系统，工作环境恶劣。如果出现故障将会导致整个采煤工作的中断，造成巨大的经济损失。随着煤炭工业的发展，采煤机的功能越来越多，其自身的结构、组成也越加复杂。一个完整的采煤机主要由牵引机构、截割部、电气部和辅助装置等组成。其中牵引机构是采煤机的重要组成部分，担负着移动采煤机并进行调整与保护的任务。是牵引动力的输出装置，它牵引着采煤机沿采煤工作面方向穿梭工作；截割部的作用是将电动机的动力经过减速后，传递给截煤滚筒，以进行割煤，并通过滚筒上的螺旋叶片将截割下来的煤装到工作面运输机上；电气部主要由电动机和电气控制箱组成；辅助装置包括底托架和冷却喷雾装置。底托架是支撑采煤机整个机体的一个整体；冷却喷雾装置的冷却系统用于冷却电动机、截割部、液压牵引部等。采煤机的工作原理可表述如下：采煤机滑靴在工作面刮板运输机上工作，靠煤壁侧的两个滑靴支撑在输送机的铲煤板上，靠采空侧的两个滑靴支撑在输送机的槽帮上，并起导向作用，使采煤机不致脱轨，牵引机构的链轮为采煤机行走提供动力。截割部安装在主机架两端，由摇臂和截割滚筒组成，摇臂将动力传递给截割滚筒，驱动滚筒旋转，实现采煤机的落煤和装煤。4.1.2 采煤机的plc控制控制系统要对采煤机的各种动作进行控制，确保采煤机的各种执行动作准确无误。本设计控制系统采用西门子s7-300系列可编程控制器完成。可编程控制器可以编程设定采煤机自动采煤，也可以手动控制或遥控器控制。 可编程控制器把来自按钮板、监控系统信号的操作信号和来自监控系统的故障信号给控制中心，控制中心自动根据各逻辑关系输出控制信号分别送给变频系统完成牵引电机的变频调速、送给泵站系统控制摇臂升降，送给按钮板参加各种控制。检测中心和控制中心相互配合满足采煤机实现恒功率采煤的要求。其中电机、变压器、变频器等各种保护和监测信号，通过信号转换板送给监测中心，监测中心把信号和数据处理分类后一方面送给显示屏进行状态指示；另一方面传送给控制中心参与过程控制。采煤机的左右两端设置了端头控制站，它采用串行数据通讯技术，与监测中心交换数据，实现对采煤机的主停、牵停、左行、右行、摇臂升降的控制，其中左端头控制站只能控制左摇臂的升降，右端头控制站只能控制右摇臂的升降；左右端头控制站能同时进行采煤机的主停、牵停、左行、右行控制。同时检测中心把采煤机的运行速度和端头控制站的工作状态传回到端头控制站，在端头控制站进行状态和速度的显示。图4-1为采煤机的plc控制系统图。图4-1 采煤机plc控制系统图fig.4-1 shearer plc control system diagram4.2 工作面三机的plc控制系统4.2.1 工作面三机介绍综采工作面三机，即刮板输送机、破碎机、转载机，是综采工作面的重要设备。刮板运输机由机头、机尾和机身组成。刮板机主要由传动装置、刮板链、溜槽、保护装置、紧链装置、推移装置等部分组成。其工作原理是：刮板运输机是由绕过机头链轮和机尾滚轮的无机循环的刮板链作为牵引机构，以溜槽作为煤炭的承载机构。启动电动机。经联轴节和减速器传动链轮，从而驱动刮板链连续运转，将装在溜槽中的煤由机尾推运到机头处卸载转运。转载机目前应用较为普遍的是桥式转载机。主要结构有导料槽、机头传动装置、机头架、机头小车、刮板链、溜槽、桥部结构、机尾架、机尾轴、压链板等。工作原理为：转载机的机头部通过横梁和小车搭接在可伸缩带式输送机尾部两侧的轨道上，并沿轨道整体移动，机尾和水平装载段则沿着巷道底板滑行。破碎机是架设在转载机上用来破碎硬煤和大块矸石的设备。目前破碎机有锤式破碎机、颚式破碎机、轮式破碎机三种。破碎机的主要作用是防止硬煤和大块矸石砸坏、砸偏带式运输机。4.2.2 工作面三机的plc控制利用plc完成对破碎机、转载机、刮板运输机等的开停及闭锁控制，完成设备的急停闭锁，完成工作面刮板机调速耦合器的工况监视及控制，完成起停预告、故障报警等，完成整个工作面沿线的通话5。控制系统图如图4-2所示。图4-2 工作面三机的plc控制系统图fig.4-2 face plc control system figure 34.3 液压支架的plc控制系统4.3.1 液压支架介绍液压支架是以高压液体为动力，由若干液压元件（油缸和阀件）与一些金属结构件按一定的连接方式组合而成的一种支撑和控制顶板的设备，是煤矿综合机械化采煤工作面的支护设备，也是综采的关键设备。液压支架是用来有效而可靠的支撑和控制工作面顶板，同时还能前移和推进工作面输送机，与采煤机、输送机配套使用，实现了落煤、装煤、运煤、支护和放顶回采工艺过程的全部机械化。它主要由承载结构件、执行元件、控制和操作元件、辅助装置、传动介质等部分组成。液压支架依靠高压液体、立柱和相应的动力千斤顶实现升架、降架、推溜、移架四个基本动作。根据生产工艺要求，液压支架不仅要能够可靠的支撑顶板，而且应能随着采煤工作面的推进而向前移动。这就要求液压支架必须具备升降和推移两个方面的基本动作，这些动作的完成是利用乳化液泵站供给的高压液体，通过立柱和推移千斤顶来完成的。这就是液压支架的工作原理。4.3.2 液压支架的plc控制液压支架plc控制系统由支架控制器plc、压力传感器、行程传感器、红外线传感器及相应的架内连接电缆组件和配套件等组成。系统组成框图如图4-3所示。图4-3 液压支架控制系统组成框图fig.4-3 single-frame hydraulic hydraulic control system block diagram控制系统要实现的控制功能如下：a单台支架控制器电控单动作邻架操作，实现电液换向阀组手动按钮本架操作。b单台支架降移升自动顺序控制。c成组自动控制，包括：成组自动推溜、成组自动降移升、成组自动收护帮板、成组自动伸护帮板、成组自动伸伸缩梁、成组自动收伸缩梁、成组自动支架前端辅助采煤机喷雾、成组自动移架喷雾。d能在工作面就地操作及远程操作。e能在工作面实现本架闭锁和工作面急停功能。f支架跟随采煤机位置的自动推溜、自动降移升、自动收护帮板、自动伸护帮板、自动伸伸缩梁、自动收伸缩梁、自动抬底座、自动支架前端辅助采煤机喷雾、自动移架喷雾。g在支架控制器和主控制计算机上具有对控制系统的故障诊断、显示和报警功能。液压支架控制系统原理图如图4-4所示：图4-4 单架液压支架plc控制原理图fig.4-4 single-frame hydraulic plc control diagram所有系统单元联成全工作面支架的控制网络，并需配备电源箱、架间连接电缆组件和隔离耦合器、总线提升器、网络终端器等必备的相关配套件。5 联动控制系统的plc硬件设计5.1 plc简介plc是基于plc的控制系统的核心部分，设计基于plc控制的系统首先要先理解plc的组成结构、工作过程及工作原理。5.1.1 plc的基本结构plc，即可编程控制器，主要由中央处理器( cpu)、存储器(ram、rom)、输入/输出单元( i/o)、电源及编程器等部分组成，（如图5-1所示）。图5-1 plc组成结构框图fig.5-1 block diagram of plc5.1.2 plc的工作原理可编程控制器采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。plc有两种操作方式：run方式和stop方式。在run方式下，通过执行用户程序来实现控制功能；在stop方式下，cpu不执行用户程序，可用编程软件创建和编辑用户程序，并将用户程序下载到plc中。plc通电后，需要对硬件和软件做一些初始化的工作。为了使plc的输出及时的响应各种输入信号，初始化后反复不停地分阶段处理各种不同的任务，（如图5-2所示）这种工作模式称为扫描工作模式6。图5-2 plc的扫描过程图fig.5-2 plc scanning process mapplc的基本工作如下：1) 读取输入2) 执行用户程序3) 通信处理4) cpu自诊断测试5) 控制信号输出6) 中断程序处理7) 立即i/o处理上述过程执行完后，又重新开始，反复地执行。每执行一遍所需的时间称为扫描周期。plc的扫描周期通常为几十毫秒。5.1.3 plc的工作过程plc的工作过程可概括地归纳为上电初始化，cpu自诊断过程，网络通信处理，用户程序扫描，输入/输出信息处理等五个阶段7。工作过程示意图如图5-3图5-3 plc工作过程示意图fig.5-3 schematic diagram of plc work5.2 联动控制系统的plc选型目前市场上plc产品众多，国外知名品牌有德国的西门子；日本的三菱、松下、mitsubishi；美国的ge；韩国的lg等，国产品牌有研华、研祥、合力时等。根据综采设备联动控制系统的特点和控制要求，应该选用具有模拟量控制、通信联网等功能的plc。因此，本设计选用西门子s7-300plc。s7-300属于模块式plc，主要由机架、cpu模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成。simatic s7-300系列plc适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。s7-300系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。s7-300plc的优点主要体现在以下几个方面： 1）极高的可靠性 2）极丰富的指令集 3）易于掌握 4）便捷的操作 5）丰富的内置集成功能 6）实时特性 7）强劲的通讯能力 8）丰富的扩展模块 由于本控制系统涉及工作面控制量较多，工作面环境较为复杂，故plc处理器选用315-2dp标准型cpu。5.3 plc的i/o节点数的确定依据工厂生产工艺流程和复杂程度的不同，可将控制系统分为大、中、小三种规模：小规模plc控制系统：单机或者小规模生产过程，控制过程主要是条件、顺序控制，以开关量为主，系统 i/o点数小于128点。中等规模plc控制系统：生产过程是复杂逻辑控制和闭环控制，系统i/o点数在128512点之间。大规模plc控制系统：生产过程是大规模过程控制、dcs系统和工厂自动化网络控制，系统i/o点数在512点以上。本次所设计的控制系统应属中等规模plc控制系统，又因为需要按实际所需总点数的15%20%留出备用量（为系统的改进等留余地），因此可大致确定i/o节点总数为128个。5.4 plc输入/输出模块选择plc的输入输出电路是将外部输入信号变换成cpu能接受的信号，将cpu的输出信号变换成需要的控制信号去驱动控制对象，从而确保整个控制系统的正常工作。5.4.1 数字量模块图5-4所示为sm323模块的端子连接及电气原理图。图5-4 sm323模块的端子连接及电气原理图fig.5-4 sm323 module to the terminals and electrical schematics本设计数字量i/o模块选用sm323模块，该模块有两种类型：一种是带有8个共地输入端和8个共地输出端；另一种是带有16个共地输入端和16个共地输出端。设计选用第二种类型。该模块的i/o额定负载电压24v dc,输入电压“1”信号电平为1130v，“0”信号电平为-3+5v，i/o通过光耦与总线隔离。在额定输入电压下，输入延迟为1.24.8ms。输出具有电子短路保护功能。5.4.2 模拟量模块本设计模拟量选用sm331模块，该模块目前有三种型号，分别为8通道12位、2通道12位、8通道16位模拟量输入模块，设计选用8通道16位输入模块。sm331模块主要由a/d转换部件、模拟切换开关、补偿电路、恒流源、光电隔离部件、逻辑电路等组成。a/d转换部件是模块的核心，其转换原理采用积分方法，积分时间直接影响到a/d转换的时间和精度。下图所示为sm331模块的端子连接及电气原理图。图5-5 sm331模块的端子连接及电气原理图fig.5-5 sm331 module to the terminals and electrical schematics5.4.3 i/o模块接口电路输入电路中设有rc滤波电路，以防止由于输入触点抖动或外部干扰脉冲引起错误的输入信号。s7-300plc的滤波电路延迟时间可以用编程软件设置。图5-6所示为直流输入模块的内部电路和外部接线图。s7-300可以用cpu模块输出的dc24v电源作输入回路的电源，它还可以为接近开关、光电开关之类的传感器提供dc24v电源。图5-6 plc输入内部电路和外部接线图fig.5-6 plc internal circuit and external input wiring diagram如上图所示，当外接触点接通时，光电耦合器中两个反并联的发光二极管亮，光敏三极管导通；外接触点断开时，光耦合器中的发光二极管熄灭，光敏三极管截止，信号经内部电路传送给cpu模块。s7-300的cpu模块的数字量输出电路的功率元件有驱动电流负载的场效应管和继电器，继电器既可以驱动交流负载又可以驱动直流负载，负载电源由外部提供8。下图所示为分别使用继电器和场效应管的输出电路。图5-7 plc输出电路和外部接线图fig.5-7 plc output circuit and external wiring diagram继电器起隔离和功率放大的作用，每一路只提供一对常开触点。与触点并联的rc电路和压敏电阻用来消除触点断开时产生的电弧。而在使用场效应管的输出电路中，输出信号送给内部电路中的输出锁存器，再经光电耦合器送给场效应管，后者的饱和导通状态和截止状态相当于触点的接通和断开。图中的稳压管用来抑制关断过电压和外部的浪涌电压，以保护场效应管。本设计输出电路选用继电器输出，此种输出形式既可驱动交流负载，又可驱动直流负载。主要优点是适用电压范围比较宽，导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力强。可较好的应用于综采设备负载驱动中。5.5 plc存储容量的选择plc的存储容量主要与控制系统i/o节点数、控制要求等因素有关。一般情况下，plc的存储容量随着plc机型的大小发生变化，小机型plc的最大存储容量一般低于6kb，中等机型plc最大存储容量一般可到64kb，而大机型的plc最大存储容量可达上兆字节。 本控制系统所选plc为s7-300，属中等机型。依据这一原则，并按实际容量的30%50%留出余量，可大致确定本设计plc存储容量为64kb。5.6 系统其它硬件设备5.6.1 传感器介绍最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会的定义为：传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号。传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。5.6.2 传感器的应用传感器的重要性还体现在各个学科的发展与传感器技术有密切关系，例如工业自动化、农业现代化、航天技术、军事工程、机器人技术、资源开发、海洋探测、环境检测、安全保卫、医疗诊断等领域都与传感器有密切关系。而且传感器技术的发展，会对其它学科的发展产生相互影响。科学上的每一个发现与进步，都离不开传感器与测试技术的保证作用。5.6.3 传感器的组成传感器一般是由敏感元件、传感元件、变送器和其它辅助单元组成，有也将信号调节与转换电路，辅助电源作为传感器的组成部分。传感器的组成图如图3-1所示：图5-8传感器组成框图fig.5-8block diagram of sensor5.6.4 设计中涉及的传感器介绍1）温度传感器它是通过感触被测物的被测点温度,反应给保护装置,使装置停机保护。该传感器是通过感触被测物的被测点温度，将被测物的温升值反应给保护装置，若被测物的温度高于预先整定值温度，发出动作信号并切断控制回路，做进一步处理，达到保护设备的目的。2）电流传感器它主要是通过对被测物电流大小的感应来工作，主要参数是被测物电流大小，它的检测方法一般是检测被测物的电流特性，主要依据的是霍尔效应原理。本设计中采用的便是典型的霍尔电流传感器。5.6.5 急停开关它是通过拉线来使设备立即停止的一种保护装置。急停开关为双向拉线式。当皮带机正常工作时，急停开关处于正常位置；当出现事故，任意拉动拉线上的拉环，使装在两端的微动开关动作，发出动作信号并切断控制回路，保护系统安全。5.7 控制系统plc i/o节点的分配根据联动控制系统所要实现的控制功能，现对plc输入输出节点进行分配，以满足综采工作面各控制单元的接口要求。具体节点分配如表5-1所示，通过对综采设备动作开关的输入及设备继电器的输出，可以较清晰的体现s7-3000plc对系统的控制过程。表5-1 plc输入输出接口tab.5-1 plc input and output interfaces序号控制功能节点1ai1.02bi1.1 3zi1.24牵引电机供电i1.35牵引电机断电i1.46变频器启动i1.57变频器停止i1.68截割电机启动i1.79截割电机停止i2.010刮板电机启动i2.111刮板电机停止i2.212转载电机启动i2.313转载电机停止i2.414破碎电机启动i2.515破碎电机停止i2.6 16支架升i2.717支架降i5.018皮带机启动i5.119皮带机停止i5.220支架移动i5.321手动/自动转换i5.422正向/反向转换i5.523急停i5.624截割电机电流i425刮板电机电流i526com27刮板电机温度i628牵引电机速度给点i729皮带电机电流ic30皮带电机温度id31com32牵引电机转速if33压力检测ig34牵引电机电磁阀q3.035变频器断电q3.136截