科研创新----采煤机

1、中国矿业大学机电学院科研训练班 级： 测控10-2班 姓 名： 王 寒 江 学 号： 03101265 训练题目： 采煤机PLC控制系统 指导老师： 刘万里老师 薄煤层采煤机PLC控制系统（中国矿业大学机电工程学院）摘要：随着我国经济的迅速发展，对能源的需求量将会日益增加。而作为我国传统能源的煤炭是推动我国经济持续健康发展的重要能源保障。我国目前煤矿大部分都已经经过了多年的开采，而对一些薄煤矿由于技术的原因我们的开采还不到位，潜力很大，因此对薄煤层采煤机的需求量很大。所以说研制开发薄煤层采煤机有着长远的社会效益。而目前我国的薄煤层采煤机并不能满足实际工况的需要，其中一个主要的原因是由于其截割部

2、的设计并不是很完善，而该设计正是在这样一个背景下进行的，对薄煤层采煤机截割部的设计就是为了满足实际工况的需求，使其发挥更大的作用。关键词：薄煤层；采煤机；PLC；变频器 为适应薄煤层煤层的开采，采用当今国内外的一些比较先进的技术，如变频调速，机载操作站操作和无线电离机遥控操作等等，可以大大的提高采煤的效率，对降低工人工作强度，提高年产量都有很大的帮助。采煤机截割部主要由箱体、原电机、输出轴、减速部分、除尘及冷却系统，润滑系统等组成。采煤机截割部减速器主要由固定减速器和摇臂行星减速起两部分组成，截割部承担截煤和装煤任务，是采煤机的主要部件之一。通过对截割部设计的完善，从整体上提高我国对薄煤层开采

3、的效率。 1采煤机的设计1.1我国薄层采煤机发展历程我国是煤炭资源大国，薄煤层储量十分丰富，占全部可采储量的百分之二十以上。薄煤层属难采煤层，由于受到工作面条件、空间狭小、地质条件变化大等因数的限制，从整体水平远远落后于中厚及厚煤层开采水平。在机采工作面中采煤机是所有配套设备中的关键设备，要使薄煤层工作面技术经济指标接近或达到中厚煤层工作面的水平，就要在采煤机上大功夫。在历史很长一段时期内，我国薄煤层采煤机可选机型少，可靠性差，功率低，单产低，使我国薄煤层产量逐年减少，弃采严重，资源浪费大。我国薄煤层的开采经历了几个发展阶段。20世纪50年代薄煤层开采主要使用炮采工艺,60年代开始使用深截煤机

4、掏槽,爆破落煤,70年代薄煤层机组得到较大发展,分别研制出不同类型的刨煤机,包括钢丝绳牵引刨煤机、全液压驱动刨煤机和刮斗刨煤机等。1974年研制成功BM-100型薄煤层滚筒采煤机。90年代,天府矿务局和徐州矿务局,分别从俄罗斯和乌克兰引进了螺旋钻采煤机,2003年新汶矿业集团也引进了2台三钻头的螺旋钻采煤机,用于薄与极薄煤层的开采,使一些用传统采煤工艺。从20世纪80年代开始，薄煤层采煤机从无到有得到稳定发展。随着薄煤层采煤机的推广应用，适用工作范围扩大，也暴露了许多缺陷和不足，限制了使用效果。根据薄煤层开采的迫切需要，开发适合国情的新一代大功率薄煤层采煤机是非常必要的。目前，哈尔滨煤矿机械研

5、究所已经研制了5种机型的薄煤层采煤机，都已投入工作中。下面以最具代表性的机型BM1-100型薄煤层采煤机为例简单分析一下它们的特点。BM1-100型薄煤层采煤机是一种用于沿长壁回采工作面全长穿棱采煤的机械。可采0.8-1.3m厚的煤层。该采煤机由单电动机驱动，电动机的动力通过右端出轴上齿轮传给右截割部离合器齿轮，再经过一级伞齿轮和三级直齿轮传至滚筒，滚筒以94.87r/min转速进行落煤和装煤。电动机的动力通过其左端的齿轮，带动牵引部过轴上的齿轮，分别经过一对直齿轮传至主泵和辅助泵，主泵产生的高压油通过闭式循环油路驱动马达，马达再经过两级直齿轮和一套行星齿轮传动，带动牵引部过轴上的齿轮，分别经

6、过一对直齿轮传至主泵和辅助泵，主泵产生的高压油通过闭式循环油路驱动马达，马达再经过两级直齿轮和一套行星齿轮传动，带动主链轮和圆环链，采煤机以0-6m/min牵引速度沿输送机运行。它的特点是电动机功率较大，机身强度较高，牵引部装有液压恒功率自动调速装置，可使电动机在额定功率下工作。另外还设有内外喷雾装置、双支点摇臂，刚性较好、强度较高。1.2国外薄层采煤机发展状况20世纪80年代以来,世界各主要产煤国家,为适应高产高效综采工作面发展和实现矿井集约化生产的需要,积极采用新技术,不断加速更新滚筒采煤机的技术性能和结构,相继研制出一批高性能、高可靠性的“重型”采煤机。其中,最具代表的是英国安德森的Ei

7、ectra系列,德国艾柯夫SL系列,美国乔依的LS系列和日本三井三池的MCLE2D系列电牵引采煤机。这些采煤机,体现了当今世界电牵引采煤机的最新发展方向，英国安德森公司整机结构特点是机身为整体焊接框架结构,摇臂为分体装配式,左右对称通用,截割功率为230550kW。在整体框架内的其它元部件可变化,电气传动系统采用两直流电机他激串联,励磁电枢部分采用两套可编程控制器模块控制,可满足四象限运行的要求。德国艾柯夫公司,整机结构特点为机身3段式,两边传动部分为铸造箱体结构,中间电气部分为焊接框架结构,摇臂为分体联结,左右对称通用,可满足不同的配套要求;牵引部电气传动系统采用两直流电机他激并列,电枢采用

8、微机控制,励磁采用串联,既能满足四象限运行,又能满足双牵引,趋于负载均衡,目前正全力发展交流电牵引。美国乔依公司从3LS7LS,机身为3段焊接结构形式,摇臂为分体联结、左右通用,牵引部电气传动系统为2电机串激串联,目前已开始投入使用7LS交流电牵引采煤机日本三井三池公司RD101101和RD102102均为交流电牵引采煤机,其结构形式为以前的截割电机布置在机身的传统结构形式,机械传动和联结相当复杂。1.3采煤机的组成及原理 采煤机的类型很多，但基本上以双滚筒采煤机为主，其基本组成部分也大体相同。各种类型的采煤机一般都由下列部分组成。 （1）截割部截割部的主要功能是完成采煤工作面的截煤和装煤，由

9、左、右截割电机，左、右摇臂减速箱，左、右滚筒，冷却系统，内喷雾系统和弧形挡板等组成。截割部耗能占采煤机装机总功率的80%-90%，因此，研制生产效率高和比能耗低的采煤机主要体现在截割部。l 传动装置：截割部传动装置的作用是将采煤机电动机的动力传递到滚筒上，以满足滚筒转速及转矩的要求；同时，还应具有调高功能，以适应不同煤层厚度的变化。截割部的传动方式主要有一下几种：a）、电动机-摇臂减速箱-行星齿轮减速箱-滚筒b）、电动机-固定减速箱-摇臂减速箱-滚筒c）、电动机-固定减速箱-摇臂减速箱-行星齿轮减速箱-滚筒d）、电动机-摇臂减速箱-滚筒l 螺旋滚筒：螺旋滚筒是采煤机落煤和装煤的工作机构，对采煤

10、机工作起决定性作用，消耗总装功机率的80%-90%。早期的螺旋滚筒为鼓型滚筒，现代采煤机都采用螺旋滚筒。螺旋滚筒能适应煤层的地质条件和先进的采煤方法及采煤工艺的要求，具有落煤、装煤、自开切口的功能。近些年来出现了一些新的截割滚筒，诸如滚刀式滚筒、直线截割式三角形滚筒、截楔盘式滚筒等。滚筒由螺旋叶片由螺旋叶片、端盘、齿座、喷嘴、筒毂及截齿组成。（2）牵引部采煤机的牵引部是采煤机的重要组成部分，它不但负担采煤机工作时的移动和非工作时的调动，而且牵引速度的大小直接影响工作机构的效率和质量，并对整机的生产能力和工作性能产生很大的影响。牵引部由牵引传动装置和牵引机构两大部分组成。传动装置的重要功能是进行

11、能量转换，即将电动机的电能转换为传动主链轮或者驱动轮的机械能。牵引机构是协助采煤机沿采煤工作面行走的装置。传动装置装于采煤机本身为内牵引，装在采煤机工作面两端的为外牵引。绝大部分的采煤机采用内牵引，仅在薄煤层中为了缩短机身长度才采用外牵引。随着高产高效工作面的出现以及采煤机功率和牵引力的增大，为了工作面更加安全可靠，无链牵引机构逐渐取代了有链牵引。（3）电气系统电气系统包括电动机及其箱体和装有各种电气元件的中间箱（连接筒）。该系统的主要作用是为采煤机提供动力，并对采煤机进行过载保护及控制其动作。（4）辅助（附属）装置辅助装置包括挡煤板、底托架、电缆拖曳装置、供水喷雾冷却装置，以及调高、调斜等装

12、置。该装置的主要作用是同各主要部件一起构成完整的采煤机功能体系，以满足高效、安全采煤的要求，改善采煤机的工作性能。MG500/1130-WD 型电牵引采煤机，属多部电机横向布置形式。整机由左、右牵引部，左、右截割部，左、右行走部及电控箱组成，电气控制系统、液压传动系统及喷雾冷却系统组成机器的控制保护系统。左、右牵引部、电控箱通过一组连接丝杠，形成刚性联接，左、右牵引部分别与电控部的左、右端面干式对接。两行走部分别固定在左、右牵引部的箱体上。牵引部与电控部对接面用圆柱销定位，高强度T形螺栓和螺母联接。截割部为整体弯摇臂结构，即截割电机、减速器均设在截割机构减速箱上，与牵引部铰接和调高油缸铰接，油

13、缸的另一端铰接在牵引部上，当油缸伸缩时，实现摇臂升降。支承组件固定在左、右牵引部上，与行走箱上的导向滑靴一起承担整机重量。单滚筒采煤机的滚筒一般位于采煤机下端，以使滚筒割落下的煤不经机身下部运走，从而可降低采煤机机面（由底板到电动机上表面）高度。单滚筒采煤机上行工作时，如图2-2（a）所示，滚筒割顶部煤并把落下的煤装入刮板输送机，同时跟机悬挂铰接顶梁，割完工作面全长后，将弧形挡煤板翻转180；接着，机器下行工作，如图2-2（b）所示，滚筒割底部煤及装煤，并随之推移工作面输送机。这种采煤机沿工作面往返一次进一刀的采煤法叫单向采煤法。双滚筒采煤机工作时，如图2-2（c）所示，前滚筒割顶部煤，后滚筒

14、割底部煤。因此双滚筒采煤机沿工作面牵引一次，可以进一刀；返回时又可以进一刀，即采煤机往返一次进二刀，这种采煤法称为双向采煤法。1.3.1采煤机的牵引部的设计行走部担负采煤机工作时的移动和非工作时的调动。行走部包括行走机构(牵引机构)和行走驱动装置。 行走机构是直接移动采煤机的装置，分钢丝绳牵引、链牵引及无链牵引。 行走驱动装置用来驱动行走机构，并实现牵引速度的调节。按调速传动方式有机械传动、液压传动和电传动，分别称机械牵引、液压牵引和电牵引。行走驱动装置位于采煤机上的称内牵引，位于工作面两端的称外牵引。对牵引部要求： 1)牵引力大 2)传动比大; 传动装置的总传动比在300左右。 3)能实现无

15、级调速 4)不受滚筒转向的影响 5)能实现正反向牵引和停止牵引 6)有完善可靠的安全保护 7)操作方便行走驱动装置按调速传动方式有机械传动、液压传动和电传动 (机械牵引、液压牵引和电牵引)。 液压牵引部是利用容积式液压传动的调速特性来实现调速性能的行走部。液压牵引系统通过液压泵排出的压力油，驱动液压马达，液压马达经齿轮传动或直接带动驱动轮。改变液压泵的流量和排油方向(或利用换向阀改变油流方向)来改变液压马达的转速和转向，从而实现牵引速度的调节和牵引方向的变换。根据q和p选用或设计主液压泵，根据qm和p1选用或设计液压马达。 液压牵引部总效率一般只有60%65%。 设计时验算管路压力损失和整个液

16、压系统的热平衡，保证液压马达得到需要的工作压力和足够的油箱容积。必要时装备冷却设备，使系统温升不超过限度。采煤机液压牵引部油箱的热平衡温升不应超过45，最高工作温度不超过75。电牵引部由专用牵引电动机经传动装置带动驱动轮，利用电气调速装置改变电动机的旋转方向和旋转速度，实现牵引方向的变换和牵引速度的调节。德国Eickhoff公司于1976年制造出第一台电牵引采煤机。电牵引采煤机代表采煤机的发展方向，近年来高产高效的世界记录都是电牵引采煤机创造的。电牵引采煤机优点：具有良好牵引特性 采煤机前进时提供牵引力；采煤机下滑时进行发电制动，向电网反馈电能。可用于大倾角煤层 牵引电动机轴端装停机时防止采煤

17、机下滑的制动器。设计制动转矩为电动机额定转矩的1.62.0倍，电牵引采煤机可用在40倾角的煤层。运行可靠，使用寿命长 电牵引采煤机除电动机的电刷和整流子有磨损外，其它件无磨损使用可靠，故障少，寿命长，维修工作量小。反应灵敏，动态特性好 电子控制系统能将多种信号快速传递到调节器中，以便及时调整各参数，防止机器超载运行。效率高 电牵引采煤机将电能转化为机械能只做一次转换，效率可达0.9；液压牵引由于能量的几次转换，再加上存在的泄漏损失、机械摩擦损失和液压损失，效率只有0.650.7左右。结构简单 机械传动系统结构简单，尺寸小，重量轻。有完善的检测和显示系统 采煤机在运行各参数如电压、电流、温度、速

18、度等均可检测和显示。当某些参数超过允许值时，便会发出报警信号，严重时可以自行切断电源。1.32采煤切割部的设计截割机构是采煤机实现落煤、装煤的主要部件，其组件主要有：摇臂减速箱，截割电机，冷却和喷雾装置，截割滚筒。（某些有提升托架） 截割部位于采煤机机身的两端，通过销轴与机身铰接，以销轴为回转中心，通过调高油缸活塞杆的伸缩，实现左右滚筒的升降。摇臂与调高油缸采用销轴连接。 左右摇臂分别用电机驱动。经2-3级直齿减速，1-2级行星减速后通过方形滚筒座来驱动滚筒转动，完成截煤和装煤，它是采煤机的工作机构。截割部的传动方式为：电动机摇臂行星齿轮传动滚筒，采用纵向出轴的两个电动机，使电动机轴与滚筒轴平

19、行。若采用独立摇臂，其本身就是个单独的减速箱，进出油口都密封。截割部的减速器用飞溅润滑。切割部设计步骤采煤机截割部结构总体方案设计 传动装置的选择传动装置的几何参数的确定主要零部件的强度校核主要零部件的零件图绘制总装配图绘制说明书的编写2.变频器的选用2.1概述交流传动与控制技术是目前发展最为迅速的技术之一，这是和电力电子器件制造技术、变流技术控制技术以及微型计算机和大规模集成电路的飞速发展密切相关。二十世纪50年代末开始，电气传动领域中进行着一场重要的技术革命将原来只用于恒速传动的交流电动机实现速度控制，以取代制造复杂、价格昂贵、维护麻烦的直流电动机。进入二十世纪七十年代后，当现代控制理论、

20、新型大功率电力电子器件、新型变频技术以及微型计算机数字控制技术等在实际应用中相继取得了重要进展的时候，才为交流电动机调速技术的飞跃创造了一个坚实的基础。主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。 它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。 2.2变频的作用2.2.1对交流异步电动机进行调速交流异步电机的转速公式为: n=（1

21、-S）n1=(1-S)60f1/P 其中:f1: 定子供电电源频率 P: 定子绕组极对数 S: 转差率 n1: 电机同步转速 从以上公式可以看出，在其它参数不变的情况下,电机的转速与供电电源的频率成正比,因此通过改变电机供电电源的频率可以改变电机的转速。2.2.2变频节能变频器节能主要表现在风机、水泵的应用上。为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。当电机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输入功率大，且大量的能源

22、消耗在挡板、阀门的截流过程中。当使用变频调速时，如果流量要求减小，通过降低泵或风机的转速即可满足要求。电动机使用变频器的作用就是为了调速，并降低启动电流。为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电（DC），这个过程叫整流。把直流电（DC）变换为交流电（AC）的装置，其科学术语为“inverter”(逆变器)。一般逆变器是把直流电源逆变为一定的固定频率和一定电压的逆变电源。对于逆变为频率可调、电压可调的逆变器我们称为变频器。变频器输出的波形是模拟正弦波，主要是用在三相异步电动机调速用，又叫变频调速器。对于主要用在仪器仪表的检测设备中的波形要求较高的可变频率逆变器，要对波形进

23、行整理，可以输出标准的正弦波，叫变频电源。一般变频电源是变频器价格的1520倍。由于变频器设备中产生变化的电压或频率的主要装置叫“inverter”，故该产品本身就被命名为“inverter”，即：变频器。变频不是到处可以省电，有不少场合用变频并不一定能省电。 作为电子电路，变频器本身也要耗电（约额定功率的3-5%）。一台1.5匹的空调自身耗电算下来也有20-30W,相当于一盏长明灯. 变频器在工频下运行，具有节电功能，是事实。但是他的前提条件是：第一、大功率并且为风机/泵类负载；第二、装置本身具有节电功能（软件支持）；第三、长期连续运行。这是体现节电效果的三个条件。除此之外，无所谓节不节电，

24、没有什么意义。如果不加前提条件的说变频器工频运行节能，就是夸大或是商业炒作。知道了原委，你会巧妙的利用他为你服务。一定要注意使用场合和使用条件才好正确应用，否则就是盲从、轻信而“受骗上当”。2.2.3功率因数补偿节能无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。2.2.4软启动节能系统在设计时在电机选型上会留有一定电机硬启动对电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，启动时产生的大电流和震动时对挡板和阀门

25、的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命。节省了设备的维护费用。从理论上讲，变频器可以用在所有带有电动机的机械设备中，电动机在启动时，电流会比额定高5-6倍的，不但会影响电机的使用寿命而且消耗较多的电量的余量，电机的速度是固定不变，但在实际使用过程中，有时要以较低或者较高的速度运行，因此进行变频改造是非常有必要的。变频器可实现电机软启动、补偿功率因素、通过改变设备输入电压频率达到节能调速的目的，而且能给设备提供过流、过压、过载等保护功能。

26、2.3变频器原理2.3.1整流器大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。2.3.2平波回路在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。2.3.3逆变器同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。控

27、制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。（1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。（2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。（3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。（4）速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg等)的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和

28、运算可使电动机按指令速度运转。（5）保护电路：检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。 变频器调速系统构成图2.4国内外交流变频电牵引采煤机的发展情况采煤机由最初的液压牵引发展到交流电牵引，而后随着电力电子器件制造技术、变流技术控制技术以及微型计算机和大规模集成电路的飞速发展，目前采用逆变的变频器可将鼠笼型电机的启动转矩提升到额定转矩的2倍。这种全数字式的通用变频器具有很强的控制能力,即使不用测速反馈, 也能使鼠笼型电机具有较硬的机械特性和快速正反转能力。80年代末,煤矿井下也开始在采、掘、运等主要设备调速上采用

29、变频器。如采煤机的牵引电机、提升机、绞车、井下用通风机、水泵及带式输送机电机的调速等。牵引拖动有“一拖一”和“一拖二”两种方式。我国电牵引采煤机在消化吸收国外引进采煤机技术的基础上，通过二次开发拥有了许多具有自主知识产权的换代产品，在我国煤矿综合机械化采煤工作面，国产采煤机已经占据主导地位,完全采用国产装备的高产高效工作面不断涌现。1991年，煤炭科学研究总院上海分院与波兰合作，在国内率先研制成功我国第1台采用交流变频调速技术的薄煤层爬底板采煤机，接着又先后研制成功了截割电机纵向布置的交流电牵引采煤机、截割电机横向布置的适用于中厚和较薄煤层的交流电牵引采煤机。太原矿山机器厂与上海分院合作，将A

30、M500液压牵引采煤机改造成MG375/830-WD型交流电牵引采煤机后，又自主研制成功了MGTY400/900-313D型和MG750/1800-3.3D型机载交流变频调速链轨式电牵引采煤机。鸡西煤机厂与上海分院合作将MG2300-W型液压牵引采煤机改造成MG300/360-WD型交流电牵引采煤机后，又开发了MG200/463型、MG400/985型交流电牵引采煤机。辽源煤机厂与邢台矿业集团合作研制成功我国首台应用电磁转差离合器调速技术的MG668-WD型电牵引采煤机。无锡采煤机厂与中纺机电研究所合作研制成功国内首台应用开关磁阻电机调速技术的MG200/500-CD型电牵引采煤机。3.PLC

31、的选用3.1 采煤机的控制现状采煤机作为煤矿井下的主要综采设备,常工作在比较恶劣的环境当中.其所处环境一般粉尘较大,空气相对湿度较高,操作空间较小,所以对采煤机控制系统工作的安全性、可靠性、维护简便性要求较高.煤矿使用的液压牵引、电牵引采煤机，电控系统均为单片机控制，事故频繁、维修量大，严重制约了生产。采用三菱PLC对其改造，便可减少故障，提高开机率。介绍了控制系统的总体组成和PLC 的控制过程及信号的传输，并采用梯形图编程方法完成了PLC 的软件编程，实现了对采煤机工作状态的在线监测和故障诊断。采煤机主要任务是割煤、装煤，是煤矿生产的重要设备，在整个煤矿机械化、自动化生产中占有重要地位。目前

32、，我国采煤机无论是液压牵引还是电牵引，均采用传统的分立式电控系统，主要采用继电器板、电源板、检测电路板、显示板不同电压等级的控制变压器，线路复杂，插接部位多，智能化程度低。利用三菱可编程控制器对其进行改造可以提高可靠性、安全性，减少故障率和维修量。数字技术深入井下，也代表了煤矿自动化的发展方向。三菱PLC 可编程控制器以其优良的性能在其中起着越来越重要的作用。三菱PLC 用存储逻辑代替接线逻辑，减少了控制设备外部接线，而且便于维护；它构成的控制系统与其它控制系统相比，电气接线及开关接点减少了许多，故障率大大降低；它带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出报警信息；它通过软件可实现缺相（断

33、相）保护、过流保护、电动机电流不平衡保护、堵转保护、故障自诊断等，并且具有特殊换向、制动和软停机功能，提高了采煤机的运行可靠性。3.2 PLC的基本组成和原理3.2.1PLC的基本组成可编程序控制器实施控制，其实质就是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换与以物理实现。输入输出变换、物理实现可以说是PLC实施控制的两个基本点，同时物理实现也是PLC与普通微机相区别之处，其需要考虑实际控制的需要，应能排除干扰信号适应于工业现场，输出应放大到工业控制的水平，能为实际控制系统方便使用，所以PLC采用了典型的计算机结构，主要是由微处理器（CPU）、存储器（RAM/ROM）、输入输出接口（I/O）电路

34、、通信接口及电源组成。PLC的基本结构如下图所示： PLC系统基本机构中央处理单元(CPU) 中央处理单元 (CPU)是PLC的控制核心。它按照PLC系统程序赋予的功能：a. 接收并存储从用户程序和数据；b.检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式采集现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象寄存区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算并将结果送入I/O映象寄存区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象寄存区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到

35、相应的输出装置，如此循环直到停止运行。 为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。存储器 可编程序控制器的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。存放系统软件（包括监控程序、模块化应用功能子程序、命令解释程序、故障诊断程序及其各种管理程序）的存储器称为系统程序存储器；存放用户程序（用户程序存和数据）的存储器称为用户程序存储器，所以又分为用户存储器和数据存储器两部分。PLC常用的存储器类型 ：(1)RAM （Random Assess Memory） 这是一种读/写存储器(随机存储

36、器)，其存取速度最快，由锂电池支持。（2）EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）这是一种可擦除的只读存储器。在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变。(在紫外线连续照射下可擦除存储器内容)。（3）EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)这是一种电可擦除的只读存储器。使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。PLC存储空间的分配 ： 虽然各种 PLC的CPU的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：（1）系统程序存储区（2）系

37、统RAM存储区（包括I/O映象寄存区和系统软设备等）。（3）用户程序存储区3.2.2 输入接口电路输入输出信号有开关量、模拟量、数字量三种，在我们实习室涉及到的信号当中，开关量最普遍，也是实验条件所限。可编程序控制器优点之一是抗干扰能力强。这也是其I/O设计的优点之处，经过了电气隔离后，信号才送入CPU执行的,防止现场的强电干扰进入。如下图就是采用光电耦合器(一般采用反光二极管和光电三极管组成)的开关量输入接口电路。3.2.3 输出接口电路可编程序控制器的输出有：继电器输出(M)、晶体管输出(T)、晶闸管输出(SSR)三种输出形式。3.2.4电源PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果

38、没有一个良好的、可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。如FX1S额定电压AC100V240V，而电压允许范围在AC85V264V之间。允许瞬时停电在10ms以下，能继续工作。一般小型PLC的电源输出分为两部分：一部分供PLC内部电路工作；一部分向外提供给现场传感器等的工作电源。因此PLC对电源的基本要求：能有效地控制、消除电网电源带来的各种干扰；电源发生故障不会导致其它部分产生故障；允许较宽的电压范围；电源本身的功耗低，发热量小；内部电源与外部电源完全隔离

39、；3.3 PLC的工作原理由于PLC以微处理器为核心，故具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。微机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方，若有键按下或有I/O变化，则转入相应的子程序，若无则继续扫描等待。PLC则是采用循环扫描的工作方式。对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。扫描周期的长短主要取决于以下几个因素：一是CPU执行指令的速度；二是执行每条指令占用的时间；三是程序中指令条数

40、的多少。一个扫描周期主要可分为3个阶段。3.3.1输入刷新阶段在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。完成输入端刷新工作后，将关闭输入端口，转入程序执行阶段。在程序执行期间即使输入端状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，而这些变化必须等到下一工作周期的输入刷新阶段才能被读入。3.3.2程序执行阶段在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐步执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输入刷新阶段。3.3.3 输出刷新阶段当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁

41、存电路（输出映像寄存器），并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。由此可见，输入刷新、程序执行和输出刷新三个阶段构成PLC一个工作周期，由此循环往复，因此称为循环扫描工作方式。由于输入刷新阶段是紧接输出刷新阶段后马上进行的，所以亦将这两个阶段统称为I/O刷新阶段。实际上，除了执行程序和I/O刷新外，PLC还要进行各种错误检测（自诊断功能）并与编程工具通讯，这些操作统称为“监视服务”，一般在程序执行之后进行。显然扫描周期的长短主要取决于程序的长短。扫描周期越长，响应速度越慢。由于每个扫描周期只进行一次I/O刷新，即每一个扫描周期PLC只对输入、输出状态寄存器更

42、新一次，所以系统存在输入输出滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。但是由于其对I/O的变化每个周期只输出刷新一次，并且只对有变化的进行刷新，这对一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成影响，还会提高抗干扰能力。这是因为输入采样阶段仅在输入刷新阶段进行，PLC在一个工作周期的大部分时间是与外设隔离的，而工业现场的干扰常常是脉冲、短时间的，误动作将大大减小。但是在快速响应系统中就会造成响应滞后现象，这个一般PLC都会采取高速模块。总之，PLC采用扫描的工作方式，是区别于其他设备的最大特点之一，我们在学习和使用PLC当中都应加强注意。3.4系统组成本系统的主要组成单元有：三菱PLC

43、、三块扩展A/D 转换模块、主/从变频器、触摸屏、变频左/右牵引电动机、左/右截割电动机、电磁阀、信号检测电路、电气控制电路等。系统采用日本三菱电气公司FX2N 系列的PLC 作为中央处理器，完成牵引电机转速的快速设定与无级调速、参数处理等功能。用三菱公司的扩展A/D 转换模块作为信号采集与测量单元，及时检测和反馈各种参数，实现对系统断电与保护功能。变频器采用ABB 公司的ACS611 系列构成主从变频调速方式，具有四象限运行的能力，实现牵引电机的正反转运行和回馈制动，变频电动机控制为直接转矩控制（DTC）方式。采用三菱触摸屏实时显示采煤机各种工作状态和主要参数，并能提供在线帮助信息和故障报警

44、功能。 采煤机PLC控制系统3.4.1 控制系统的设计与实现PLC 控制电路为实现精确控制的要求，系统采用日本三菱微型PLC（FX2N-48MR-ES）作为主控单元，其输入输出点数均为24 点。该型PLC 具有单元式PC 简单易用和模块式PC 功能强大、组合灵活的特点2。扩展模块从基本单元获得电源，无需外加电源设备。计时器、计数器和寄存器性能优越，处理速度快。PLC 控制电路部分I/O 分配和功能如图1 所示。 PLC部分I/O分配和功能工作过程PLC 工作过程包括输入处理、程序处理、输出处理。输入处理：程序执行前，把PLC 的全部输入端子的状态读入映像寄存器，在执行程序过程中，即使输入状态变

45、化，但映像寄存器内容不变，直到一扫描周期开始才读入这些变化。程序处理：对用户程序存储器所存的指令，从输入映像寄存器和其他元件映像寄存器中将有关软件的状态读出，从0 开始运行，每次结果存入有关寄存器。因此映像寄存器的内容随程序执行不断变化，输出继电器的状态由输出映像器的内容决定。输出处理：全部指令执行完毕，将输出映像寄存器的通断状态向输出锁存器传送，成为可编程控制器的执行输出。系统输入及输出信号（1）输入按钮控制信号：左右牵引方向按钮、牵引加减速按钮、牵引停按钮、接触器闭锁输入、左、右摇臂上升、下降按钮，通过按钮乎动控制，PLC 自动调节输出参数使采煤机自动按要求运行。（2）输入模拟量信号：左右

46、截割电机电流信号、左右牵引励磁电流信号、速度反馈信号。（3） 输出模拟量信号：2 路、50V 直流励磁电源提供左右牵引励磁，系统根据输入按钮控制信号及速度反馈自动调节励磁输出信号，控制左右牵引电动机转速。（4）输出控制信号：左右牵引方向、停牵引、液压制动器、左右摇臂上升、下降。3.5 PLC机型的选择方法3.5.1PLC的类型PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC

47、提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。3.5.2输入输出模块的选择输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。考虑是否需要扩展机架或远程I/O机架等。3.5.3.电源的选择PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设