井下小型混凝土搅拌站电气控制系统设计

2018-08-17焦潞平

现代矿业 2018年7期

焦潞平

(山西长治郊区三元南耀吉安煤业有限公司)

近年来，我国现代化矿井建设对成品混凝土的需求不断增加，从地面搅拌站向井下作业现场运输混凝土已无法满足井下建设要求[1-3]。为提升矿井建设效率和质量，有必要在井下建立具有安全防爆性能且功能完善的混凝土搅拌站。为确保该类混凝土搅拌站安全稳定运行，本研究对其电气控制系统进行设计。

1 系统总体功能设计

本研究混凝土搅拌站以2种骨料(沙子和石子)、水泥、粉末添加剂和水作为混凝土生产的标准物料配制，根据井下混凝土搅拌站的生产流程和实际生产需求，硬件系统由PLC、工控机、传感器、矿用继电器与控制阀、搅拌主机、料斗仓、执行机构、通信模块以及其他必需的电气设备组成。该系统功能设计如下：

(1)井下混凝土搅拌站电气控制系统应具有手动控制和自动控制2种方式。手动控制方式主要用于系统维护或软件调试时，自动控制方式用于正常生产过程中。

(2)系统正常运行过程中，首先由现场传感器、变送器和仪表实时采集压力检测信号，将采集的模拟量信号进行A/D转换；然后通过RS232串口进入上位机进行数据处理，处理后的数据经系统算法软件补偿后送回，用于更新PLC的相应数据寄存器；最后依据主控制器的控制信号对各个部分进行动作控制。

(3)系统应具有报警和故障处理功能。

(4)将PLC与工控机结合，在上位机上设计监控系统，可以实现对该系统的在线控制，以及对压力、时间等参量进行实时在线监控。

2 系统硬件总体构成及控制器选型

2.1 系统硬件总体构成

在井下混凝土搅拌站生产过程中，搅拌主机、运送部分设备不间断运行，PLC根据工控机的控制信号，及时地控制相应的卸料门、电磁阀、物料传送机等执行机构动作，通过智能本安传感器完成对各种骨料、水泥、水和粉末添加剂等实时模拟量采集，然后对实时数据进行A/D转换后经过通信模块输送至上位机。上位机(主控制器)依靠软件系统中已进行训练权值的神经网络对数据进行补偿处理后，将控制信号输送至PLC并及时更新其数据寄存器，而后PLC将其数据寄存器中的控制信号输送至电磁阀、卸料门、电动机等各执行机构，各执行机构根据控制信号动作。工控机的处理速度快，信息容量大，能够完成复杂数据处理及控制任务(误差进行补偿、误操作报警、生产过程数据库管理、生产过程实时监控显示等)。本研究混凝土搅拌站电气控制系统硬件结构如图1所示。

2.2 控制器及传感器选型

根据井下小型混凝土搅拌站电气控制系统对信号输入、输出端口的实际需要以及控制器所需完成的控制任务，系统以西门子S7-200系列中的CPU224作为主控制器，同时配合添加EM223(16点24 V DC输入/16 V继电器输出)数字量扩展模块以及EM223(4点24 V DC输入/16 V继电器输出)数字量扩展模块构成系统主要的数据处理设备。

图1 混凝土搅拌站电气控制系统硬件结构

为确保搅拌站安全运行，本研究采用隔爆兼本安型电控箱为控制器。KX315/660(380)A矿用隔爆兼本安型电控箱适用于具有爆炸性危险气体(如甲烷、瓦斯等)和煤尘的矿井。在额定电压660 V/380 V、 50 Hz的状态下，能够直接控制额定电流在15 A以内的鼠笼型三相异步电动机，其防护等级为IP54。

搅拌站电气控制系统需要采集骨料、水泥、添加剂等材料的质量信号，考虑到搅拌站的工作环境，选用GZDl20称重传感器。

3 井下小型搅拌站电气系统电路设计

搅拌站电气控制系统的主电路、控制回路分别见图2、图3。为避免控制电路中电源产生干扰，需将电动机的供电电源与PLC供电电源进行电气隔离，其中PLC供电电源须在供电电网波动较大时采用稳压本安电源，能够有效减小控制器发出错误控制命令的可能性。

图2 搅拌站电气控制系统主电路

系统选用一种智能控制单元PLY600配料控制器，具有一路模拟信号输入、一路开关输入、八路开关量输出端口，能够接受模拟信号输入、开关输入、开关量输入，从而实现配料称重、配料过程中报警等功能。配料控制器与工控机通过通信模块相互通信，将所接受到的各种信息传递给工控机，工控机根据软件系统将数据优化后，最终确定称量中各执行机构的动作信息，并将该类信息发送给PLC，以更新其数据寄存器，PLC以此作为对各执行机构准确控制的依据[4-5]。