基于plc的煤矿矿车防跑车系统
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基于plc的煤矿矿车防跑车系
摘要:随着自动控制理论和 PLC 技术的发展，具有易于使用、功能强大、高可靠性、扩展能力强、广泛的适用性和组成控制系统的简洁性等诸多优点的PLC控制技术，得到了越来越广泛的应用。本论文以作者研究的基于PLC的煤矿矿车防跑车系统项目为背景，从PLC控制系统设计的角度，探讨PLC控制技术的应用。
本课题主要是对基于PLC的煤矿矿车防跑车系统进行设计，以实现有效的对挡车栏进行手动控制和自动控制；并且能够对矿车的运行状态进行实时监控，当矿车运行出现问题时可及时报警并控制挡车栏对矿车进行拦截；能够实现与上位机进行通讯，可以在人机界面中观察矿车状态并进行手动操作。本次设计应用小型可编程控制器（西门子S7-200 CPU224）作为控制系统硬件部分控制核心，采用组态王设计人机界面，使用CAD制图软件绘制电气原理图，采用西门子STEP7-MicroWIN编程软件进行编程。
程序调试结果表明本次设计的系统能够实现对矿用挡车栏的自动和手动控制，可与上位机进行通讯。 本设计可应用于现场工作。
关键词：PLC 挡车栏 控制系统 通讯
前言
斜井轨道提升时煤矿提升系统中的一个重要组成部分，但目前斜井轨道提升系统在运行过程中跑车事故发生频率较高，是煤矿安全生产的薄弱环节。特别是一些煤矿由于资金匮乏、人为操作较多等原因，造成装置磨损老化，容易出现钢丝绳断裂，发生跑车事故。煤矿跑车事故危害严重，除了撞坏设施外，还会造成人员伤亡等严重后果。为了解决这一问题，多数煤矿选择在斜井中安装挡车栏装置，挡车栏装置可以有效的对发生跑车的矿车进行拦截，避免造成重大人员伤亡及财产损失。
本文设计的就是一款基于PLC的煤矿矿车防跑车系统。可编程控制器（简称PLC）是一种新型的具有极高可靠性的通用工业自动化控制装置。它具有控制能力强、可靠性高、配置灵活、编程简单、方便使用、易于扩展等优点，是当今工业控制的主要手段和重要的自动化控制设备。本设计选用西门子S7-200中CPU224系列PLC作为控制核心。要求设计一个由PLC自动控制的挡车栏系统，由位置传感器检测车辆有无并计算车速，若矿车超速则自动开启挡车栏拦截矿车，可有效的减少由矿车跑车造成的损失。
第一章煤矿矿车防跑车系统研究背景和设计与实现
1煤矿矿车防跑车系统研究背景
目前我国矿山井下辅助运输绝大多数仍然以轨道运输为主要方式，斜巷轨道运输又是煤矿辅助运输的重要一环，其特点是工作范围广、战线长、占用设备多、设备设施流动性大、涉及人员多。在目前煤矿生产中，运输事故还占有很大的比例。在斜巷矿车移动中，由于绞车司机的违章作业、信号把钩工的不规范推车、连挂车和矿车连接装置的不完好等原因,易发生跑车事故。一旦发生跑车，就可能造成设备损坏、中断斜巷运输,造成严重的经济损失，严重的还会造成人员伤亡,对矿井的安全生产造成严重影响。
2煤矿矿车防跑车装系统功能介绍
本设计任务是针对基于PLC的矿用挡车栏系统进行设计。该系统应实现以下功能要求：
(1)能够有效的对挡车栏进行控制，分为手动控制和自动控制两种方式；
(2)能够对矿车的运行状态进行实时监控，当矿车运行出现问题时可及时报警并控制挡车栏对矿车进行拦截。
3煤矿矿车防跑车系统的设计与实现
由于矿车在煤矿、金属矿山、非金属矿山等所有倾角在30°以下的单轨提升运输斜巷中运行，当斜巷矿车发生跑车时，将会造成很大安全事故，造成人身设备伤亡。基于上述背景，本章探讨煤矿矿车防跑车系统的设计与实现，该系统是对发生跑车的矿车进行有效拦截以免扩大事故，特别适合于复合型斜巷中。整个煤矿矿车防跑车系统主要包括控制系统部分和机械部分。
煤矿矿车防跑车系统主要由核心控制器、位置检测系统、挡车栏系统、监控报警系统等部分组。
图1-1 煤矿矿车防跑车系统结构图
第二章煤矿矿车防跑车系统总体设计
1速度检测原理
要检测矿车在斜井中的运行速度， 经过分析，提出了在斜井坡上，每隔一段距离安装一个位置传感器，用来检测矿车在某段时间内运动的距离，从而计算出矿车运行的速度。图3-3分多段检测矿车运行速度方案。
图2-1 传感器位置示意图
图2-1中所示，斜井坡长分2段进行检测矿车运行的速度，一共装有3个位置检测传感器，相互之间的距离分别为L1和L2。矿车运行至拐点处，第一个传感器检测，运行时间T1，斜坡上的第二个传感器检测到矿车运行信号，此时计算出矿车速度V1,矿车继续运行至第三个传感器，运行时间为T2，从而可以再次计算出，此时的矿车运行的速度。
2系统闭环控制原理
由挡车栏的工作原理可知，每次挡车栏的开启，与矿车在斜坡上的运动速度有关，当速度大于某个设定值时，挡车栏自动启动。
图2-2 防跑车系统闭环控制原理图
图2-2为系统闭环控制原理图。由图可知，PLC、绞车电机和速度检查检测三者构成一个闭环控制回路。PLC接收到矿车位置检测信号，计算出矿车的运行的速度，若矿车超速则控制绞车电机开启挡车栏，钢丝绳网将矿车的动能转换为弹性势能，然后通过吸能器把弹性势能吸收，矿车安全平稳停下，避免事故发生。
3煤矿矿车防跑车系统硬件设计
合理选择PLC对于提高PLC控制系统的性价比起着重要作用，PLC的选择应包括机型的选择、容量的选择、I/O模块的选择、电源模块的选择等几个方面。在煤矿矿车防跑车系统中，经过调研、分析，选择了德国西门子公司生产的S7-200系列PLC作为系统的控制器。西门子S7-200系列，是S7系列中最先进的超级微型PLC，除了具有一般输入输出的功能外，还具有模拟量控制、定位控制等特殊功能。
S7-224系列PLC产品性能说明如下：
● 控制点数(I/O)最大允许扩展到 256 点。
● 布尔量的运算速度(0.22µs)。
● 内置6个高速计数器 。
● 辅助继电器：M,S,L等；计时器：256 点；计数器：256点；数据寄存器：VB,VW,VD等。
● 丰富的功能扩展模块(最大可扩展7个模块)。
在防跑车栏控制系统中，采用组态软件设计的人机操作界面，可节省许多PLC的输入/输出点数。经过分析，确定煤矿矿车防跑车系统共需要5点输入和4点输出，为了以后的调整和工艺改进的需要，在实际统计的I/O点数基础上，一般应加上10％～20％的备用量，因此选用了S7-00中CPU224 型PLC，它具有14点输入和10点输出。
4电气原理图
图2-3 防跑车控制系统电气原理图
输入端：
I0.0～I0.2分别为三个传感器的检测信号。在程序中用于控制定时器T37与T38，通过定时器即可得出矿车运行时间，计算出矿车速度。
I0.5～I0.6为挡车栏开启上限和下限返回信号。在程序中设定一个开启信号返回时间，如果没有在规定时间内收到返回信号，则说明挡车栏由于某些原因并未完全开启或关闭，需要及时报警以免发生事故。
输出端：
Q0.0为电机正转输出，控制挡车栏开启。
Q0.1为电机反转输出，控制挡车栏关闭。
Q0.2为矿车电机输出，用于控制矿车的启动与停止。
Q0.3为报警输出。
表2-1 煤矿矿车防跑车系统PLC输入/输出模块对应用途
5煤矿矿车防跑车系统PLC程序
经过详细研究挡车栏的工作原理和控制要求，该系统PLC程序设计采用了分系统设计的思想，主要包括三个部分：位置检测系统、挡车栏系统、监控报警系统。程序的编写采用梯形图编程方式。使用西门子公司的V4.0 STEP7-MicroWIN SP6编程软件。
6位置检测系统
位置检测系统是矿车运行在斜坡导轨上重要的检测系统，实时反应矿车运行的状况，编程时将位置检测程序 置于自动控制挡车栏首位指令之前。位置检测系统需要完成的功能是将矿车的运行速度检测计算出来。图2-4为位置检测系统逻辑流程。
图2-4 位置检测流程图
7挡车栏系统
煤矿矿车防跑车系统开启和关闭是是煤矿矿车防跑车系统软件的核心部分。矿车在斜坡运行过程中，PLC根据检测出的矿车运行速度和用户设定的值进行对比，当矿车速度超过设定值时，挡车栏钢丝绳网提升开启，防止跑车造成的事故，反之关闭。经过仔细的调研、分析，设计出自动开启和关闭挡车栏动作的逻辑流程图，如图2-5所示
图2-5 煤矿矿车防跑车系统功能图
在自动挡车栏控制入口处，需满足一系列的条件才能启动矿车，矿车开始运行进入 自动控制流程。图2-6为绞车启动条件。
图2-6 矿车启动条件
在自动控制挡车栏程序中必需考虑的另一个方面是矿车停止运行的条件， 当正常的绞车停止或者手动按下停止按钮，或者遇到一些故障情况，程序将自动停止绞车工作。图2-7为绞车停止条件，图中满足任意条件时，绞车将停止工作。
图2-7 矿车停止条件
8 声光语音报警系统
图2-8 报警系统逻辑流程图
图 2-8为报警系统流程图，其功能是将矿车跑车后，将故障发送至监控平台，并语音提示，减少人身设备伤亡。
结束语
本设计完成的基于PLC的煤矿矿车防跑车系统能够完成以下工作内容：
1能够有效的对挡车栏进行控制，分为手动控制和自动控制两种方式；
2能够对矿车的运行状态进行实时监控，当矿车运行出现问题时可及时报警并控制挡车栏对矿车进行拦截；
本设计成果也存在一些问题，由于条件所限，本次设计只能完成模拟实验，如运用在实际中，电压稳定、工作环境等都可能对系统产生影响，造成系统出现一些误差。需要进一步改善。
由于本人经验和能力有限，对系统设计所需软硬件的使用还不能达到驾轻就熟的程度，所以设计的程序也只能基本上达到设计要求。
参考文献
1陈立定. 电气控制与可编程序控制器的原理及应用[M]. 北京：机械工业出版社，2005.1.
2杨长能等．可编程控制器（PC）基础及应用[M]．重庆大学出版社，1992.
3何衍庆．可编程控制器原理及应用技巧[M]．北京：化学工业出版社，1998.
4王晨，贾福音等．斜井跑车保护装置的研究现状与发展趋势[J]．煤矿机械，2010，31(3).
5陈拓其．一种新型矿车防跑车机构的设计与仿真[J]．矿山机械，2009，37(17)：38-40．
第二篇：奔小康煤矿防跑车实验报告
奔小康煤矿
斜巷跑车防护装置实验报告
试验地点：副斜井
负 责 人：曹永富
试验时间：20xx年2月9日
报告时间20xx年2月12日
奔小康煤矿
斜 巷 跑 车 防 护 装 置
试验报告
斜井跑车防护装置是矿井安全生产的重要保证设施，为确保安全生产，根据有关规定每年进行一次试验。按照矿运输管理计划，我矿在20xx年2月9日9点进行斜井跑车防护装置破坏性试验。
一、 斜井跑车防护装置试验的目的：
通过斜井跑车防护装置试验，以便发现问题及时处理，检验矿井防跑车装置可靠性，保证矿井提升运输安全。
二、参加斜井跑车防护装置试验的人员
1、试验领导小组：
组 长：曹永富
副组长：鲁卫东
成 员：文东海 刘金平 张德江 姚志军 陈进
2、主要操作人员文东海 张德江
三、斜井跑车防护装置基本概况
1、绞车型号：JTP－1.6电机功率110KW
2、副斜井：坡度19°，斜长175m断面9.3m2
3、跑车防护闸：11号工字刚上下提升闸门，自制电动。斜井全长双闸连锁
四、斜井跑车防护装置试验主要方式
1、提升6个重车上行。 因提升数量未超过长度，钩头到变坡点时，跑车防护装置关闭，挡车栅运行正常。
2、挂8个空车带钩下行。 因钩头未过变坡点,跑车防护装置未开启,将运行中车辆挡住。
3、用5个报废矿车不带钩推下。 因跑车防护装置关闭将无钩跑车挡住。
五、第三项试验安全措施
1、撤出主斜井及各车场所有人员。
2、在防跑车闸下部3米安设双重挡车栏确保车辆不能向下跑车。
六、跑车防护装置试验经验与教训 此次试验一小时,经实地勘察均能挡住矿车,达到预定目标。 在今后的工作中必须进行经常性的对跑车防护装置、设施、及电控部分进行维护和检查,确保能正常使用。
奔小康煤矿机运队 20xx年2月9日