采煤机培训456G7.doc

天地科技MG2100/456-QWD型电牵引采煤机维护手册石勇 韩保民 主编天地科技股份有限公司上海分公司TIANDI SCIENCE & TECHNOLOGY CO.,LTD SHANGHAI BRANCHMG2100/456-QWD型电牵引采煤机维护手册（第一版）石勇 韩保民 主编天地科技股份有限公司上海分公司出品二零零五年十月内容简介定价：18.00元前言光盘使用说明目 录第一章 采煤机电气系统总述7第1节 电气系统概述7第2节电气控制系统原理9第二章 采煤机机内电气系统15第1节 采煤机电控箱及控制系统组件152.1.1采煤机电控箱简介152.1.2电控系统组件简介19第2节 PLC工作原理28第3节 机内电气系统原理35第三章 采煤机机外电气系统43第1节 变频调速箱简介43第2节 变频器控制原理52第3节 牵引变压器简介55第四章 采煤机电气系统操作57第五章 电气系统日常检修规程61第六章 电气系统故障分析及处理63第1节 机内电气系统常见故障的分析及处理636.1.1常见故障分析总体思路636.1.2常见故障的分析及处理具体方法64第2节 机外变频器的常见故障分析及维修79第七章 采煤机培训多媒体内容92第一章 采煤机电气系统总述第1节 电气系统概述 本电气控制系统是为MG2100/456-QWD型电牵引采煤机配套而专门研制的，分为机上电气控制系统和机外变频调速系统两个部分。它采用了可编程序控制器（PLC）、PWM变频调速技术和先进的信号传输技术，使采煤机控制、操作可靠方便，牵引实现无级调速，牵引能力强。电气系统的分布框图如图1.1所示。该机组的动力系统由四台100kW、1140V截割电机，一台5.5kW、1140V泵电机，两台25kW、380V的牵引电机提供。 适用环境：周围介质温度在-1035；25时，周围空气的相对湿度不大于97；不存在腐蚀金属和破坏绝缘的气体；有甲烷或爆炸性煤尘的采煤工作面。 本电气系统对采煤机进行下列操作、控制、保护及显示： 1. 通过磁力起动器远控方式，在采煤机上完成工作面输送机的停止（兼闭锁）； 2. 通过磁力起动器远控方式，在采煤机上完成采煤机的起动、停止（兼闭锁）； 3. 采煤机左、右截割电机的温度监测和135、155热保护； 4. 采煤机左、右截割电机的功率监测和恒功率自动控制、过载保护； 5. 通过电控箱、遥控器、端头控制站，完成采煤机的牵引操作； 6. 通过端头控制站、遥控器实现左、右摇臂的升降（遥控器为选用功能）； 7. 电控箱先进的全中文显示界面，提供操作步骤的提示，实时显示截割电机的功率和温度、采煤机的牵引给定速度、变频器运行状态、松闸系统状态等工作参数； 8. 变频调速箱具有变频器输入电压、输出频率、输出电流以及各种故障等显示。图1.1 采煤机电气系统的分布图第2节电气控制系统原理电气系统框图，见图1.2图1.2 456机组系统框图一、三种控制方式对于整机的控制有三种人机交互方式：遥控器、端头操作站、机身按钮。遥控器：操作人员可以随身携带；可以实现控制机组的牵停、方向、加/减速、主停、左摇臂升降（左摇控器）、右摇臂升降（右摇控器）控制。井下控制距离15米有效，为推荐使用的操作方式。端头操作站：置于采煤机两端；可以实现控制机组的牵停、方向、加/减速、主停、左摇臂升降(左端头站)、右摇臂升降(右端头站)控制。机身按钮：置于电控箱面板上，可以实现机组的主启、主停、牵引送电、牵引断电、牵启、牵停、方向、加/减速、运闭等控制。当机组送上电后，遥控器控制指令、端头站控制指令、机身按钮控制指令并行给PLC开关量输入模块。遥控器发出指令后，通过遥控器接收盒PA2将无线调制信号解调，并驱动相应的继电器动作，动作的节点信号输入给PLC开关量输入模块。端头操作站发出指令后，通过端头站接收盒PA1将编码信号进行解码，经过译码并经过光电隔离后驱动相应的继电器动作，动作的节点信号输入给PLC开关量输入模块。机身按钮操作直接将动作的节点信号输入给PLC开关量输入模块。PLC组件得到输入指令信号后进行程序算法运算，输出相应的动作。二、截割部分控制对于截割部分的保护、控制包括恒功率控制与温度保护。1.恒功率控制：通过电流互感器检测各个截割电机的负载电流，得到的负载电流信号输入给PLC模拟量输入/输出模块，通过PLC程序算法实现恒功率控制；2.温度保护：通过植入电机内部的Pt100温度传感器，将温度信号输入给PLC温度检测模块RTD，通过PLC程序算法实现温度保护。三、牵引部分控制对于牵引部分的保护、控制包括牵电控制、牵启控制、方向控制、速度控制、漏电闭锁保护、漏电保护、电压异常保护及抱闸系统控制。牵电控制指通过机身按钮输入牵电指令，经过PLC程序算法处理输出继电器节点信号，通过牵引电缆传至变频调速箱，实现对变频器的送电、断电操作。牵启控制指通过机身按钮输入牵启指令，经过PLC程序算法处理输出继电器节点信号，通过牵引电缆传至变频调速箱，实现下一步对变频器方向控制的准备，即只有输入牵启指令后，方向信号才能输入给变频器。方向控制指通过三种控制方式输入方向指令，经过PLC程序算法处理输出继电器节点信号，通过牵引电缆传至变频调速箱，实现对变频器的方向控制。速度控制指通过三种控制方式输入速度指令，经过PLC程序算法处理输出010V电压信号的速度指令，再经过PA72盒转换为420mA的电流信号，通过牵引电缆传至变频调速度箱，经过速度指令转换板A4转换为010VDC电压信号，送到变频器实现速度调节。漏电闭锁保护指在变频器未送电之前，对变频器的输出进行漏电检测，当发现变频器的输出端对地绝缘小于7k时，漏电闭锁保护动作，使得真空接触器无法吸合，变频器无法送电。漏电保护指在变频器运行过程中，对变频器的输出进行漏电检测，当发现变频器的输出端对地绝缘小于3.5k时，漏电保护动作，使得变频器故障停止。电压异常保护指检测变频器的输入400V三相电压的过、欠压情况（15%），当输入的三相电压超过整定范围时，保护动作使得变频器故障停止。抱闸系统控制对于大倾角工作面，机组运行于四象限状态，为了解决在牵停后机组失去牵引力下滑的问题，我们设计了抱闸系统实现机组在大倾角情况下的平稳启停及运行控制。变频器运行过程变频器得到运行指令时并不是直接松闸加速至给定速度值，从开始启动到已经运行，必须经历松闸时序过程。当变频器得到运行指令时（给方向、速度），变频器输出一个3Hz电源给牵引电机供电，牵引电机此时有电流通过产生力矩将机组锁住，防止下滑。当变频器输出的负载电流达到设定值时（30%额定电流），变频器发出松闸指令，控制制动电磁阀切换油路给制动器供油压。由于制动器的松闸运动与油压的上升相对于电气来说速度很慢，制动器从闭合到打开需要一定时间，如果变频器发出松闸指令的一瞬间就加速至给定速度,则电机相当于阻转，所以变频器运行还需要松闸反馈信号，确保制动器打开后再加速运行。变频器发出松闸指令后开始等待，在1秒钟内收到压力继电器反馈回来的松闸确认信号，则变频器正常加速牵引，如果1秒钟内没收到松闸确认信号则变频器报SE3时序错误。变频器停止及换向过程当变频器停机或换向时也不是直接停止变频器后就报闸，牵停后到机组停住必须经历报闸时序过程；换向过程则包括报闸时序和松闸时序（反向）两个过程。当给变频器牵停指令时，变频器先减速至抱闸频率3HZ，牵引电机此时有电流通过产生力矩将机组锁住，防止下滑。当变频器输出的负载电流下降至设定值时，变频器关闭松闸指令，制动电磁阀失电，制动器回油。变频器关闭松闸指令后开始等待，在1秒钟内松闸确认消失则变频器正常停止运行，如果在1秒钟时间后还有松闸确认则报SE4时序错误。变频器换向过程就是停止过程和反向启动过程的结合。四、采煤机控制、保护说明 恒功率自动控制设置恒功率自动控制的目的是为了充分利用截割电机的功率，同时也不使电机超载而损坏。根据功率PUIcos公式，功率P正比于电流I。所以，采用四个电流互感器分别检测各截割电机的单相电流，就可以知道电机负荷状况，电流互感器输出010V标准信号，送入PLC进行比较，得到欠载、超载信号。当四台电机都欠载（P90Pe）时，发出加速信号，牵引速度增加（最大至给定速度）；当任一台电机超载（P110Pe）时，发出减速信号，直至电机退出超载区域。 其中 P：截割电机实际功率 Pe：截割电机额定功率 重载反牵控制 重载反牵引功能的设置是为了使采煤机避免严重过载，达到保护电机的目的。当任一截割电机负荷大于130Pe时，通过PLC算法实现，使采煤机以给定速度反牵引一段时间(10s)后，再继续向前牵引。 截割电机热保护 在左、右共4个截割电机绕组内埋设有Pt100热电阻，热电阻直接接入PLC的RTD模块。当任一台电机温度达135时, 将截割电机额定电流值降为原来的70运行, 达155时，PLC输出综合保护信号将采煤机先导回路切断，使整机停电。 牵引电机恒功率控制 在变频调速箱内通过电流互感器CT检测牵引负载电流，当负载电流达到额定值的110%时牵引减速，直至电机退出超载区域；当负载电流达到额定值的130%时牵引故障停机。 无线电遥控原理 采用无线通信载波技术(150MHz频段)，在离采煤机一定范围内，左、右发射机分别控制左、右摇臂的升降，并共同控制牵引方向、牵引加、减速、牵引停止、采煤机急停。 端头控制原理 采用先进的数据编码调制技术，将端头站的控制命令传至电控箱，经过解码解调后驱动相应的继电器，其节点送入PLC来控制牵引方向、牵引加、减速、牵引停止、采煤机急停和左、右摇的的升降。 变频器工作原理由交流异步电机的转速公式： n(1-S)60f1/ P 其中：f1定子供电电源频率 P极对数（一定） S转差率（一定） n转速 所以在其它参数不变的情况，电机的转速与电源频率成正比，因此通过改变频率的方法即实现改变电机转速的目的。变频调速控制原理如图1.3所示图1.3 变频调速控制原理在正常电动状态下，电网电源经整流器转变为直流电压，直流电压再通过逆变器转变为频率、电压同步变化的交流电源，实现了对牵引电机转速的控制。由于安装了能量再生单元，可使电动机在制动过程中产生的能量回馈给电网，实现牵引电机的四象限（正向电动，反向制动，反向电动，反向制动）运行，同时也实现节能目的。 运行指令通过控制器实现对整流器、逆变器及能量再生单元的控制。第二章 采煤机机内电气系统第1节 采煤机电控箱及控制系统组件2.1.1采煤机电控箱简介采煤机电控箱布置于采煤机的中部，为隔爆兼本质安全型，具有控制、操作、显示及连线、分线等功能。整个电控箱内分为两个腔体，其一为位于老塘侧的控制腔，其二为连线和分线用的接线腔。它们之间通过14个1140V单芯穿墙接线端子及两个过线组来联系，其中一个过线组用于本安电路。在接线腔中用于进出线的喇叭口共有十七个，电控箱喇叭口示意图如图2.1所示。二个进线喇叭口，其中一个用于主电缆W1进线，另一个用于牵引电缆W2进线。靠煤壁侧有十五个喇叭口，其中左、右两边各有三个喇叭口，上面两个分别为左、右牵引电机电缆W8、W9出入喇叭口；下面四个为截割电机电缆出入喇叭口，其中左边上下两个分别为左截割电机A和左截割电机B电缆W3、W5出入喇叭口，右边上下两个分别为右截割电机A和右截割电机B电缆W4、W6出入喇叭口；另外，还有九个压紧螺母式小喇叭口。上面八个小的分别用于（自左而右）：左摇臂升电缆、左端头控制站电缆、右端头控制站电缆、右摇臂升电缆、左摇臂降电缆、遥控接收机天线、瓦斯检测盒电缆、右摇臂降电缆。下面较大的用于泵电机电缆。 接线腔上部开盖，腔内有一个组合接线端子用于变频器输出的变频电源电缆的分线。左、右牵引电机电缆接线时，必须注意相位必须相同；腔内有两个接地端子，用于进出电缆接地线的连接，另外还有一个40节接线排用于电控箱内、外控制线的连接。控制腔共有两个盖板，大盖板和小盖板。大盖板示意图如图2.2所示，此盖板上有两个隔离开关手把，一个显示器窗口，12个按钮，其中四个停止按钮带机械闭锁，这12个按钮的功能（自左而右，自上而下）分别为：主启、显示、牵启、牵停、左牵、右牵、主停、牵电、方式、运闭、加速、减速。控制腔内部装有两台隔离开关、四个互感器、十二个行程开关、电控系统组件(见图2.3所示)：1. 隔离开关： 用于左、右截割电机主回路，紧急时也可通过它来切断主回路。在开关转轴边有一机械联锁装置，带动一行程开关来控制磁力起动器的控制回路，以保证隔离开关不带电操作（先合闸，后送电；先断电，后分闸）。2. 互感器： 用于检测左、右截割电机主回路电流，装在隔离开关出线侧。3.电控系统组件：采煤机控制的核心装置，下面详细叙述。图2.1电控箱喇叭口示意图图2.2 电控箱面板图 图2.3 采煤机电控箱结构布置图2.1.2电控系统组件简介电控装置安装在电控箱电控腔的左侧，小盖板开启后就能看到。此装置由控制电源组件、控制盒、显示器及PLC装置组成，电源组件包括控制变压器、熔断器、整流桥、本安电源模块、非本安电源模块等，控制盒部分则由三个控制盒组成（PA1：端头接收盒、PA2：遥控接收盒、PA7-2:功能检测与控制盒）。在电源组件附近设有远控及应急控制拨钮开关B1，B2，B3。当PLC控制系统出现问题无法正常开机时，可将B1，B2，B3 拨钮开关同时拨止PA7-2位置，可以实现手动控制。用牵启，牵停，正向，反向实现变频器运行。电控装置结构见图2.4图2.4电控装置结构图一 电源组件电源组件部分有一个控制变压器，原边为1140V，副边有交流 28V、190V、220V、160V、两组18V（公共零点）。一个非本安电源模块，一个本安电源模块，一个整流桥堆及一些熔断器等。二可编程控制器可编程控制器（简称PLC）安装在电控箱的左边，如图2.5所示，在其左边有一风扇作为冷却PLC用。本系统采用的是GEFanuc系列，具有高可靠性、高性能的特点。（1）基本组成 机架： 采用的是5槽的机架，电源模块安装在其最左边（不占用槽位）。 电源模块，见图2.6所示：型 号负载容量输入电源输 出IC693PWR32130W220VAC50W+5V15W+24V隔离20W+24V继电器20W 电源模块内设限流装置，短路时可自动关断电源以免引起损坏。电源模块上有一RS-485通讯口，用于和显示器通讯。 电源模块带有四个LED。它们位于面板前部的右侧。这些LED的意义如下： a. PWR 上面第一个绿色LED（标记PWR）指示电源操作状态。LED“亮”说明电源是正确的，并且操作正常；LED“灭”，说明发生电源故障，或者是电源未合上。电源模块CPU模块开关量输入模块开关量输出模块模拟量混合模块RTD输入模块图2.5 可编程序控制器示意图 b. OK 第二个绿色LED（标记OK）。如果PLC正在正常操作，LED稳定在“亮”；如果PLC检测出问题，则LED“灭”。 c. RUN 第三个绿色LED（标记PUN）。当PLC处于运行模式时，LED稳定在“亮”。d. BATT最下面的红色（BATT）。如果CMOS RAM后备电池电压太低，不能在掉电条件下维持存贮器中的内容，LED将会“亮”，相反情况，LED将会“灭”。如果这个LED“亮”，锂电池必须在框架上电源消失之前更换，否则PLC存储器内容可能丢失。（电池的使用寿命大约为6个月）。 系统状态指示RS-485兼容串行接口电池连接器电池24VDC电源输出输入电源图2.6 电源模块示意图 CPU CPU模块安装在第一个槽中，采用350型CPU，最大1024个开关量I/O点和128IN/64OUT模拟通道，具有2k寄存器和16k字节的用户存储器。 开关量输入模块 开关量输入模块有32个24VDC的输入点，所有输入按每组8个排列成4组，每组公用一个公用端，由两个24针插头联接器完成输入的连接。输入信号在模块内部由光耦进行隔离。在模块的上部有32个LED显示灯，显示各个输入点的动作情况。 模拟量输入输出混合模块模拟量输入输出混合模块提供了4个420mA的输入通道和2个010V的输出通道。用于截割电机负载采样信号的输入和速度指令信号的输出。 开关量输出模块 开关量输出模块为继电器输出型模块，有16个输出点。每个输出点的容量为2A，输出点按每组4个点分成4组，每组有一个公用电源输出端子。在模块的上部有16个LED显示灯，显示各个输入点的动作情况。 RTD模块RTD模块提供了6路RTD的输入通道，直接将传感元件Pt100测得温度数值接入。用于检测截割电动机信号。(2) PLC模块的安装，见图2.7所示。 插入一个模块 当向机架模块槽中插入模块时，按下述说明进行： a. 选择要插入模块的槽位,紧紧抓住模块,让接线端子板朝手持的一侧; b. 将模块与机架槽和连接器对齐，使上部后侧的钩状物嵌入槽中； 图2.7插入一个模块 c. 向下转动模块，直到连接器对接，并且模块的底部的锁柄啪的一声嵌入机架的凹槽中。 拆除一个模块，见图2.8所示。按照以下步骤可以从槽中拆除模块： a. 找到模块底部的释放柄，并用力向上按压； b. 当紧紧握住模块顶部的同时按压释放柄，向上转动模块；c. 向上提起模块，使模块上部后侧的钩状物脱开，并将模块从面板上移出。 注意：在通电状态下不要插入或拆除模块，这会造成PLC停机，模块损坏，或导致人身伤害。图2.8拆除一个模块 更换电池 如果电源上的BATLED灯亮，请更换电池（IC693ACC301）。在底座通电的情况下，可以拆下旧电池并安装新电池。要更换电池时按下述步骤进行： a. 打开面板底的电池盖； b. 从电池固定夹上取下旧电池； c. 将新更换的电池牢牢插入电池固定夹中； d. 从电池连接器插座中拆下旧电池电缆连接器并废弃旧电池； e. 用尖嘴钳将新电池连接器牢牢推入电路板上的一个插座中。新电池心须在拆下旧电池20min之内更换，以便确保PAM存贮器保留其内容；f. 重新装上模块面板盖。 三GP显示器显示器安装在行程开关面板上，采用先进的液晶图形界面，通过与PLC通信，可实时显示系统的各种工作参数、工作状态和各种信息的显示,如图2.9所示。 全中文的操作提示，防止误操作； 图2.9 GP显示器显示图例 截割电动机的实时工作功率和温度； 牵引的方向和给定速度； 摇臂的动作状态； 显示日期和时间的时钟； 记忆工作参数的显示； 故障状态的滚动显示： 截割过载 110 截割重载 130 左截割电动机A过热 135 左截割电动机B过热 135 右截割电动机A过热 135 右截割电动机B过热 135 左截割电动机A过热 155 左截割电动机B过热 155 右截割电动机A过热 155 右截割电动机B过热 155 注意：显示屏为液晶显示屏，防止硬物碰坏和划伤。四无线电遥控发射机及遥控接收盒PA2 无线电遥控发射机采用手持式本安型结构，如图2.10所示。图2.10 无线电遥控发射机共有十个按钮分别为（自上而下）：向左、向右、减速、加速、牵停、主停,左高、右高、左低、右低。 注意：遥控发射机按钮为薄膜开关，在使用时无需大力按压，不能用硬物敲打或顶压，以免损坏薄膜开关。 面板顶部有四个显示灯分别为（自左向右）：控发、指令、欠压、电源。 使用步骤： 打开顶部的电源开关，电源灯亮； 然后按住左侧的胶皮轻触开关，控发灯亮； 进行各功能的操作。发射机后部有一个充电电池，当欠压灯亮时，需在专门配备的充电器上进行充电。充电方式有两种：快充约(45)h；慢充约15h。遥控器上的按钮信号经过编码、调制后得到调频信号，再通过天线发射出去。遥控接收盒PA2，通过天线接收遥控器所发送的无线调频信号，经过解调、解码后驱动相应的继电器，输出开关量信号传给PLC。五端头控制站及端头接收盒PA1端头控制站放置于左右牵引减速箱上，如图2.11所示。图2.11 端头控制站共有十个按钮分别为（自上而下）：向左、向右、减速。加速、牵停、主停，左高、右高、左低、右低，圈内五个为控制牵引用。注意：端头控制站按钮为微动开关，在使用时无需大力按压，不能用硬物敲打或顶压，以免损坏微动开关。端头站上的按钮信号经过编码后得到编码信号，通过信号线传给端头接收盒PA1，经过解码后驱动相应的继电器，输出开关量信号传给PLC。六信号转换盒PA7456机组的研制主要面向薄煤层综合开采工艺用户，为了充分减小机身的高度，以适应薄煤层工作面的开采，我们采用非机载方式，将变频器单独置于顺槽内，通过牵引电缆实现工作面采煤机对顺槽内变频器的控制，达到对牵引电机进行调速的目的。牵引控制信号包括牵电、牵启、方向和速度指令，这些控制信号通过较长的牵引电缆控制芯线引入变频器。前三者为开关量信号，长距离的传输对信号损失影响较小；而速度指令为模拟量信号，如果采用010VDC的标准电压信号进行长距离传输，一方面信号衰减较大，另一方面抗干扰能力弱，容易造成速度指令信号不准确。因此，通过PA7盒内部的电压电流转换电路，将PLC输出的010VDC速度指令信号，转换成420mA的标准电流信号进行传输。为了适应大倾角工作面，满足四象限运行状态的工作要求，避免机组的下滑现象，我们增加了报闸系统，牵引控制信号增加了变频器运行准备、松闸指令、松闸确认三种开关量信号。当变频器送电后，变频器处于运行准备状态，变频器运行时，发出松闸指令，经PA7盒输出继电器接点信号，控制制动电磁阀打开制动器，并在一定时间内必须收到PA7盒发出的松闸确认信号，方可正常牵引。第2节 PLC工作原理一、PLC概述PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。国际电工委员会（IEC）颁布了对PLC的规定：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。二、PLC的结构及基本配置一般讲，PLC分为箱体式和模块式两种。但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。对模块式PLC，有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。无论哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。PLC的基本结构框图如2.13：图2.13 PLC的基本结构框图 1CPU的构成 PLC中的CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每台PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路， 与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。CPU的运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。CPU的寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU虽然划分为以上几个部分，但PLC中的CPU芯片实际上就是微处理器，由于电路的高度集成，对CPU内部的详细分析已无必要，我们只要弄清它在PLC中的功能与性能，能正确地使用它就够了。CPU模块的外部表现就是它的工作状态的种种显示、种种接口及设定或控制开关。一般讲，CPU模块总要有相应的状态指示灯，如电源显示、运行显示、故障显示等。箱体式PLC的主箱体也有这些显示。它的总线接口，用于接I/O模板或底板，有内存接口，用于安装内存，有外设口，用于接外部设备，有的还有通讯口，用于进行通讯。CPU模块上还有许多设定开关，用以对PLC作设定，如设定起始工作方式、内存区等。2I/O模块：PLC的对外功能，主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的，按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。3电源模块：有些PLC中的电源，是与CPU模块合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源以其输入类型有：交流电源，加的为交流220VAC或110VAC，直流电源，加的为直流电压，常用的为24V。4底板或机架：大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。5PLC 的外部四大类设备编程设备：有简易编程器和智能图形编程器，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况。编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，但它不直接参与现场控制运行。监控设备：有数据监视器和图形监视器。直接监视数据或通过画面监视数据。存储设备：有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器，用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失，如EPROM、EEPROM写入器等。输入输出设备：用于接收信号或输出信号，一般有条码读人器，输入模拟量的电位器，打印机等。6PLC的通信联网PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。现在几乎所有的PLC新产品都有通信联网功能，它和计算机一样具有RS-232接口，通过双绞线、同轴电缆或光缆，可以在几公里甚至几十公里的范围内交换信息。当然，PLC之间的通讯网络是各厂家专用的，PLC与计算机之间的通讯，一些生产厂家采用工业标准总线，并向标准通讯协议靠拢，这将使不同机型的PLC之间、PLC与计算机之间可以方便地进行通讯与联网。三、基本指令系统和编程方法1基本指令系统特点 PLC的编程语言与一般计算机语言相比，具有明显的特点，它既不同于高级语言，也不同与一般的汇编语言，它既要满足易于编写，又要满足易于调试的要求。目前，还没有一种对各厂家产品都能兼容的编程语言。如三菱公司的产品有它自己的编程语言，OMRON公司的产品也有它自己的语言。但不管什么型号的PLC，其编程语言都具有以下特点：.图形式指令结构：程序由图形方式表达，指令由不同的图形符号组成，易于理解和记忆。系统的软件开发者已把工业控制中所需的独立运算功能编制成象征性图形，用户根据自己的需要把这些图形进行组合，并填入适当的参数。在逻辑运算部分，几乎所有的厂家都采用类似于继电器控制电路的梯形图，很容易接受。如西门子公司还采用控制系统流程图来表示，它沿用二进制逻辑元件图形符号来表达控制关系，很直观易懂。较复杂的算术运算、定时计数等，一般也参照梯形图或逻辑元件图给予表示，虽然象征性不如逻辑运算部分，也受用户欢迎。.明确的变量常数：图形符相当于操作码，规定了运算功能，操作数由用户填入，如：K400，T120等。PLC中的变量和常数以及其取值范围有明确规定，由产品型号决定，可查阅产品目录手册。.简化的程序结构：PLC的程序结构通常很简单，典型的为块式结构，不同块完成不同的功能，使程序的调试者对整个程序的控制功能和控制顺序有清晰的概念。.简化应用软件生成过程：使用汇编语言和高级语言编写程序，要完成编辑、编译和连接三个过程，而使用编程语言，只需要编辑一个过程，其余由系统软件自动完成，整个编辑过程都在人机对话下进行的，不要求用户有高深的软件设计能力。.强化调试手段：无论是汇编程序，还是高级语言程序调试，都是令编辑人员头疼的事，而PLC的程序调试提供了完备的条件，使用编程器，利用PLC和编程器上的按键、显示和内部编辑、调试、监控等，并在软件支持下，诊断和调试操作都很简单。2 梯形图的设计与编程方法 梯形图是各种PLC通用的编程语言，尽管各厂家的PLC所使用的指令符号等不太一致，但梯形图的设计与编程方法基本上大同小异。利用梯形图编程，首先必须确定所使用的编程元件编号，PLC是按编号来区别操作元件的。其内部元件的地址编号，使用时一定要明确，每个元件在同一时刻决不能担任几个角色。一般讲，配置好的PLC，其输入点数与控制对象的输入信号数总是相应的，输出点数与输出的控制回路数也是相应的（如果有模拟量，则模拟量的路数与实际的也要相当），故I/O的分配实际上是把PLC的入、出点号分给实际的I/O电路，编程时按点号建立逻辑或控制关系，接线时按点号“对号入坐”进行接线。下图是三菱公司的FX2N系列产品的最简单的梯形图例(图2.14)：图2.14 梯形图例99图2.15 采煤机电气控制系统第3节 机内电气系统原理采煤机电气控制系统见图2.15。一、采煤机控制先导及输送机闭锁控制回路 1. 采煤机控制先导回路主电缆W1中控制芯线W1.5、W1.6用于采煤机控制回路，如图2. 16所示。组成：远方二极管设在按钮板上，SBQ为主启按钮，SQT为主停（兼闭锁）按钮，瓦斯检测盒WS-K1C和PA1-K1串联组成主启自保触点，PA1-K14为PLC保护触点，PA1-K3为端头控制站急停触点，PA2-K8为遥控急停触点，QS1、QS2为隔离开关辅助触点。原理：根据与采煤机配套的磁力起动器的设计要求，当磁力起动器处于远控状态时，只需给其接通一条串有二极管的回路即可起动主回路给机组送电。当按下主启按钮时，先导回路被接通，停放在顺槽的磁力起动器内部控制真空接触器线圈的继电器得电动作，控制真空接触器吸合给机组送电。注意：磁力起动器在检测先导回路里的二极管时，如果发现二极管方向不对，有些厂家的磁力起动器没有反映不给机组送电，也有些厂家的磁力起动器会不断的吸合与断开其自身的真空接触器，熟称“打枪”。故障：曾经在现场有过这样一种故障现象，机组正常工作时有规律的听到机组机械传动部传来非常沉闷的“咚咚”声响。遇到这种情况时不要武断的下结论说是机械传动系统有问题或者说是某个齿轮啮有问题，仔细分析与观察看看还有没有其它的现象存在，估算一下每次声响之间的间隔，对应机械传动系统估算一下每级齿轮的转速是否与此时间周期相接近，一般最有可能就是磁力起动器内的真空接触器“打枪”。判断方法是将磁力起动器至于近控状态送电试机看看现象还存在否，如果现象消失那肯定是磁力起动器远控插件板有故障，有可能是其插件板上的继电器品质不好；如果现象依旧，用针式万用表测量磁力起动器的三相输出电压是否稳定即可判断是不是为真空接触器“打枪”。最后判断不是磁力起动器故障后分析机械原因。 2. 输送机闭锁控制回路主电缆W1中控制芯线W1.7、W1.8用于运输机闭锁回路如图2.17所示。组成：远方二级管设在按钮板上，SBY为停止（兼闭锁）按钮。原理：根据煤矿安全规程的要求，采煤机上必须设置能闭锁运输机的按钮。因此，必须将上述回路与运输机控制先导回路串联起来，共同组成运输机控制先导回路。当拔出运闭按钮时，运输机闭锁回路被接通，操作运输机的司机可以正常操作运输机。在检修煤机时，司机可根据情况按下运闭按钮，闭锁运输机。注意：有些矿不用机组上自带的运闭回路，自已单独引入控制开关放在机身上；有些矿上是与其它设备(扩音器等)串联成一个总的回路。运闭回路的实际连线要根据矿上的实际情况而定。二、电源组件电源组件部分包括：一个控制变压器，原边为1140V，副边有交流 28V、190V、220V、160V、两组18V（公共零点）四组抽头，一个非本安电源模块，一个本安电源模块，一个整流桥堆及一些熔断器等。控制变压器为采煤机提供控制电源，维持控制系统正常工作。原边从1140V主线中取两相引入（隔离开关之前）。1、两组18V抽头输入给PA7盒，经过内部整流、滤波、稳压电路产生直流15V，给内部的牵引负荷信号滤波电路供电。2、交流28V/4A抽头经整流桥堆输出直流F+24V，给所有电磁阀及先导自保继电器(PA1盒内)提供工作电源。3、交流190V/0.2A抽头经本安电源模块，输出本安A+12V，为端头站、端头接收盒内端头信号接收电路部分和瓦斯断电仪供电。4、交流220V/1A抽头 给PLC冷却风扇供电；同时经非本安电源模块，输出非本安F+12V和S+24V，其中F+12V为端头接收盒PA1内端头信号执行电路及遥控接收盒PA2提供工作电源，S+24V为GP显示器及电流互感器工作电源。5、交流160V抽头为PLC提供工作电源。注： GE（通用电气）系列PLC工作电压范围为100V240V。三、PLC在采煤机上的控制原理左右隔离开关合上，磁力起动器送过来的三相1140V动力电缆经过两个隔离开关分别给左截割电机(2台100kw)、右截割电机(2台100kw)、 泵电机供电，同时其中一路给控制电源供电。此时，左右滚筒同时转动(左右离合器已合上)，调高泵送上油压，PLC得电开始自检；7s后PLC正常工作，可以正常牵引控制。牵引送电后，停放在顺槽的变频调速箱内的真空接触器合上，变频器得电；按下牵启后变频器可以得到指令准备运行，按下方向按钮，则变频器得到方向信号，再给定牵引速度，变频器就开始运行，采煤机按所给方向行走。以下介绍PLC控制输入输出模块信号功能与信号走向：1、PLC开关量输入模块的信号功能作用（见图2.18）（即：各个控制按钮及信号的功能作用）图2.18 PLC开关量输入模块功能图牵电：控制变频箱内真空接触器，给变频器送电。在机组送上电后，就可以进行牵引控制。拔出“牵电”按钮后，牵电按钮触点闭合，开关量输入模块得到牵电信号，经过程序算法运算驱动开关量输出模块中对应的继电器节点。牵电信号输入后，输出对应的节点信号，并在输出的节点信号线上串入一个二极管。牵启：控制变频器可以得到方向信号，准备运行。按下牵启按钮后，牵启按钮触点闭合，开关量输入模块得到牵启信号，经过程序算法运算驱动开关量输出模块中对应的继电器节点。 牵启信号输入后，输出对应的节点信号，并在输出的节点信号线上串入与牵电节点信号线上方向相反的二极管，并将该两个二极管的另一端并联于一根信号线，通过牵引电缆传至变频箱。左牵(右牵)：控制变频器运行时输出的三相电源的相序，从而控制牵引电机的运行方向。按下左牵按钮后，左向按钮触点闭合，开关量输入模块得到向左信号，经过程序算法运算驱动开关量输出模块中对应的继电器节点。向左信号输入后，输出对应的节点信号，并在输出的节点信号线上串入一个二极管；按下右牵按钮后，右牵按钮触点闭合，开关量输入模块得到向右信号，经过程序算法运算驱动开关量输出模块中对应的继电器节点。向右信号输入后，输出对应的节点信号，并在输出的节点信号线上串入与左牵节点信号线上方向相反的二极管，并将该两个二极管的另一端并联于一根信号线，通过牵引电缆传至变频箱。注: PLC开关量输入模块的左向(右向)信号为三路并联输入方式,遥控接收盒PA1输出节点信号、端头站接收盒PA2输出节点信号、机身按钮。加速（减速）：控制变频器运行时输出的三相电源的频率，从而控制牵引电机的运转速度。按下加速（减速）按钮后，加速（减速）按钮触点闭合，开关量输入模块得到加速（减速）信号，经过程序算法运算驱动模拟量输入/输出模块中对应的模拟量输出010V的速度指令信号。模拟量输入/输出模块输出的010V标准电压信号经过PA7-2盒转换成420mA电流信号，再通过牵引电缆传至变频箱。注：电压信号在长距离传输过程中信号损失比较严重，给控制带来不可靠因素，为了避免信号在传输线路中的损失，我们采用了电流信号传输方式，将010V标准电压信号轮换成420mA的标准电流信号在牵引电缆中传输。注: PLC开关量输入模块的加速（减速）信号为三路并联输入方式,遥控接收盒PA1输出节点信号、端头站接收盒PA2输出节点信号、机身按钮。牵停：控制变频器停止运行。按下牵停按钮后，牵停按钮触点闭合，开关量输入模块得到牵停信号，经过程序算法运算切断牵启、左向（右向）节点输出信号与速度指令输出信号。注: PLC开关量输入模块的牵停信号为三路并联输入方式,遥控接收盒PA1输出节点信号、端头站接收盒PA2输出节点信号、机身按钮。方式：设置采煤机处于割煤方式与调动方式。按下方式按钮后，方式按钮触点闭合，开关量输入模块得到方式信号，经过程序算法运算将机组运行于调动方式；当方式按钮拔出后， 方式按钮触点断开，开关量输入模块没有得到方式信号，经过程序算法运算将机组运行于割煤方式。在割煤方式时，变频器输出的最高频率为50Hz，机组最高行走速度为6米/分；在调动方式时变频器输出的最高频率为83.4Hz，机组最高行走速度为10米/分。左升（右升、左降、右降）：控制左右遥臂的升降动作。按下左升按钮后，左升按钮触点闭合，开关量输入模块得到方式信号，经过程序算法运算驱动开关量输出模块中对应的继电器节点。将该节点窜于调高电磁阀的供电回路中，当节点闭合时调高电磁阀线圈得电动作。变频器准备：当变频器送上电，外部设备全部正常时，变频就处于准备运行状态，此时变频器内部常开触点（M1、M2）与再生单元内部常开触点（M1、M2）闭合，再通过A6板（6K1继电器）将变频器准备信号串联一个二极管送出至电控箱接线腔（XQ接线排）。（请参考变频器原理图）信号从XQ接线排通过过线组引入电控箱体内，再通过XTF接线排引入制动器控制及指令信号转换盒（PA7-2），通过内部串入一个与变频箱A6板方向相同的二极管将信号采入，并驱动相应的继电器（KBD），继电器的接点经过XSF接线排引入至PLC开关量输入模块（XP1插头）。变频器运行状态：当变频器运行时，首先发出松闸指令，并且在正常运行时松闸指令一直存在，根据该特性松闸指令就可作为变频器运行状态信号。通过变频箱内的A6板（BR继电器）将变频器运行状态串联一个与变频器准备信号相反的二极管送出至电控箱（XQ接线排）。（请参考变频器原理图）信号从XQ接线排通过过线组引入电控箱体内，再通过XTF接线排引入制动器控制及指令信号转换盒（PA7-2），通过内部串入一个与变频箱A6板方向相同的二极管将信号采入，并驱动相应的继电器（KBR），继电器的接点经过XSF接线排引入至PLC开关量输入模块（XP1插头）。松闸确认状态：当变频器运行时，首先发出松闸指令并且在正常运行时松闸指令一直存在。在发出松闸指令瞬间，松闸指令信号引入电控箱内的制动器控制及指令信号转换盒（PA7-2），并驱动相应的继电器（KBR），使松闸电磁阀得电。松闸电磁阀有电后松闸油路接通，油压开始上升（相对于电气来说油压上升还是很慢）。在油压开始上升，在1秒钟内，油压上升至压力继电器动作值时，压力继电器接点闭合，