基于S7-1200 PLC的矿用电缆卷放车自动控制系统设计

乔冬青，闫孝姮

(1.神华准格尔能源有限责任公司，内蒙古 准格尔 010300；2.辽宁工程技术大学 电气与控制工程学院，辽宁 葫芦岛 125105)

矿用电铲作为露天矿间断与半连续开采工艺系统中不可或缺的关键设备，在矿山采掘及剥离作业中，其工作量通常约占整个项目工作总量的50%，电铲供电的可靠性直接影响开采工作的效率[1-2]。电缆卷放装置可以有效减少因电铲行走作业、台阶掉块、铲车碾压造成的供电电缆拖拽磨损及接头老化、绝缘层损伤等问题，提高电铲用电可靠性[3]。目前，国内大型露天矿使用电缆卷放装置多为通用型，构造简单、可容纳电缆米数短、自动化水平低、需要人工辅助完成，例如爬犁和铲车自带尾绳卷筒，卷缆速度难以匹配电铲行走工作且存在安全隐患[4]。卷缆装置研究日益成为国内煤矿企业关注项目，卷缆装置电气控制系统的应用保证了露天矿开采的工作质量，降低了工人工作强度，提高了安全系数和生产效率[5-6]，其应用市场前景广阔。国内对矿用电缆卷放车控制系统研究主要集中在液压驱动系统自动化方向[7-8]，缺少针对多个执行机构的完整电气控制系统设计。针对这一问题，本文提出一种基于S7-1200的电铲用千米带电电缆卷放车电气控制系统，能够实现匹配电铲行走、自动收放电缆、实时监测现场数据、快速响应外部环境变化的功能，提高了采煤作业经济效益和安全性能。

1 系统控制需求分析和实现原理

千米带电工作电缆卷放车可在矿用交流电源供电条件下正常使用，其电缆容纳能力达到1 000 m及以上，可完全取代既有的爬犁车和电缆滚筒，电缆卷放车一端通过电缆连接35/6.3 kV移动变电站，另一端连接电铲向其供电，其体积远小于电铲，最大程度降低对电铲回转、采装及卡车通行造成的影响[9-10]。依据电缆卷放车的工作要求，其电气控制系统主要以S7-1200为核心，具有各类电机的启停、保护和故障报警、人机界面监测与显示、自动匹配行走、智能化布线、系统运行状态保护和故障报警、比例电磁阀调度、液压驱动系统控制、压紧电缆装置分级调控等基本控制功能以及远程遥控、红外摄像功能。

控制系统实现原理如图1所示。①系统层以S7-1200为控制核心，各子系统程序驱动对应硬件动作，同时通过以太网与上层软件对接，可有效调动机载设备完成现场工作。②应用层与实际设备实现对接，通过人机交互界面可实时监测各设备运行情况并可远程遥控电缆卷放车行走、布线等功能，实现应用开发对设备驱动的调用。③通信层主要为上传卷放车使用时间、故障情况、位置信息等数据，便于统一管理和故障维修。

图1 系统实现原理Fig.1 Principle of system implementation

2 控制系统配置和结构设计

(1)集控中心结构设计。集控中心控制器选择S7-1200 CPU1214。控制系统硬件架构图如图2所示。

图2 控制系统硬件架构Fig.2 Hardware architecture of control system

S7-1200可编程序控制器结构紧凑、组态灵活、功能全面，可在较长时间内保证可靠安全。集控中心的人机交互界面，使用WinCC人机交互显示系统，通过开放接口和操作系统连接，上位机监控画面上显示各子系统的实际运行状态，便于对电缆卷放车工作状态监控和实时调控[11-13]。此外，电流、电压、温度、开关闭合状态等安全回路信号也实时显示在监控画面上，当系统存在安全隐患或开关状态异常，及时作出干预，避免安全事故的发生。集控中心的S7-1200通过以太网与上位机链接，集控中心通过交换机以及其他连接设备与其余子系统相连接，经交换机和S7-1200处理，向各子系统执行机构发出作业指令，以实现远程监控。

(2)行走卷缆子系统结构设计。行走卷缆子系统主要由电缆卷放车上下辊架的压力传感器、距离传感器、变量泵、排量950 mL/r行走变量电机和排量1 730 mL/r卷筒变量电机构成。I/O控制主要包括启停行走变量电机、启停卷筒变量电机等，控制监测内容主要为电缆卷放车与电铲车距离、上下辊架压力数值等。所有传感器均为本安设备，输入电流范围为0.5～4.0 mA，电流信号输入S7-1200模拟量输入模块SM1231，经S7-1200内部程序处理判断，输出电信号，经比例控制阀转换赋给变量泵和变量电机的比例电磁铁，实现具体功能。

(3)自动排线子系统结构设计。排线子系统由计数传感器、限位传感器、160 kW功率电机、减速伺服电机、排线器等组成。通过电缆卷筒上的计数传感器感应卷筒外壳上通风孔的数量，将计数器信号接入S7-1200模拟量输入模块SM1231，经过模拟量处理模块转换得到数字量，通过S7-1200内部判断后控制电机，进而控制减速伺服电机和反转伺服电机，实现排线器运动速度调节和往复运动。

(4)压紧电缆子系统。压紧电缆子系统由外接支撑架、压辊架、可伸缩油缸、弹簧、压力传感器等构成。弹簧连接在外接支撑架和压辊架之间，2个压力传感器分布在弹簧周围，用于检测弹簧伸缩程度，按照设定的压力数值控制可伸缩油缸动作，使压辊架按需求下压电缆紧实排线。

3 系统软件设计及功能实现

通过上述对各个系统的功能及配置的分析与设计，主要对行走卷缆子系统、自动排线子系统及压紧电缆子系统的软件编程提供思路。软件设计主要是根据控制要求来完成对3个子系统(控制行走卷缆子系统、自动排线子系统、压紧电缆子系统)功能的程序编写，并能够在系统欠压、失压、短路、过载时及时停机并声光报警。

(1)行走卷缆子系统。针对采集到的距离传感器和压力传感器信号处理结果，利用S7-1200操控卷筒电机和行走电机启停、正反转，实现电缆卷放车匹配电铲车同步行走并自动收放电缆。行走卷缆功能可以集控、单控，并附以遥控设备实现远程控制，满足了复杂多变的工业需求。

(2)自动排线子系统。采用集控、单控和远程遥控控制方式，根据计数传感器采集到的卷筒外侧通风孔的数量确定电缆在卷筒1周缠绕的进度，经S7-1200处理后控制减速机和排线伺服电机启动，确保电缆缠绕卷筒1周，排线器移动1个线径的匹配速度，同时根据限位传感器采集到的排线器的位置控制排线伺服电机正反转。

(3)压紧电缆子系统。采用单控和远程遥控的控制方式，压紧电缆的辊架可以一键控制启停，根据S7-1200处理后的压力传感器数值设定对应辊架和固定支架连接处的可伸缩油缸参数，实现4层电缆均压紧压实。为保证系统安全运行，配备报警联动功能，在生产过程中，若子系统参数超过设定阈值，相应界面上报警指示灯闪烁提示，以便运行人员及时做出处理。

4 监控界面开发

上位机监控画面实现了对电缆卷放车运行状态的综合监测和远程控制，进而提高了电缆卷放车的自动化水平。本设计选用与S7-1200有极高兼容性的WinCC组态软件对监控系统进行设计[14-15]，其中软件上位机界面如图3所示。

WinCC画面显示各子系统工作状态和采集到的距离、各类压力传感器数值等工艺参数，实现数据的实时监测，便于工作人员直接监视。同时将各类历史数据进行存储，生成数据库，供运行人员查看、调用、制作图表并分析总结。报警联动功能实现子系统故障实时显示、切除。电缆卷放车子系统发生异常启动报警信号后，操作员界面会切换到相应监控画面窗口，显示异常数据，提高了管理者决策依据准确性，降低了安全决策风险。

5 结论

设计了千米级露天矿用电缆卷放车电气控制系统，完成了集控中心、行走卷缆子系统、自动排线子系统、压紧电缆子系统的硬件配置，编程实现了行走卷缆子系统和自动排线子系统集控、单控和远程遥控，压紧电缆子系统单控、远程遥控多种控制方式。开发和设计了良好的上位机界面，实现了现场工作状态实时监测和远程遥控。应用研究表明，该系统提高了煤矿产量和工作效率，有利于降低劳动强度和生产成本。

图3 电缆卷放车上位机界面Fig.3 Upper computer interface of cable winding car