PLC技術(shù)極大提升礦山設(shè)備的控制水平

PLC（可編程序控制器）因其采用模塊化組合結(jié)構(gòu)、使系統(tǒng)組合十分靈便，抗干擾能力強(qiáng)、可靠性強(qiáng)，編程語(yǔ)言簡(jiǎn)易、普及和編程方便，可以在線進(jìn)行修改、柔性好等特點(diǎn)，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)已被廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)的開(kāi)關(guān)邏輯控制、機(jī)械設(shè)備的數(shù)字控制、機(jī)器人和自動(dòng)裝置的控制，閉環(huán)過(guò)程控制以及多級(jí)自動(dòng)控制系統(tǒng)。近幾年來(lái)，兗州礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司及其下屬各礦針對(duì)以前在礦井設(shè)備應(yīng)用可編程序控制器方面存在的問(wèn)題進(jìn)行了認(rèn)真分析和歸納，積極應(yīng)用當(dāng)前已有的可編程序控制器應(yīng)用新技術(shù)，提出解決方案并進(jìn)行了推廣與實(shí)施，有效地保障了礦井設(shè)備的可靠運(yùn)行，取得了良好的效果。

1 數(shù)控提升機(jī)可編程控制器的可靠性研究

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)和兗州礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司使用可編程控制器來(lái)改造現(xiàn)有的礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)控提升機(jī)可編程控制器的可靠性研究，使其具有更強(qiáng)的抗干擾能力伙計(jì)與用戶連接的適應(yīng)性。

可編程控制器系統(tǒng)的故障包括外部設(shè)備故障、系統(tǒng)故障、硬件故障和軟件故障。

此項(xiàng)研究指出：

①安裝與布線方面，可編程控制器應(yīng)遠(yuǎn)離大功率的可控硅裝置、高頻電焊機(jī)和大型的動(dòng)力設(shè)備等干擾源；I/O線與控制線應(yīng)分開(kāi)走，并保持一定距離；在電纜溝內(nèi)把動(dòng)力線與控制線分別敷設(shè)在電纜溝的兩側(cè)，測(cè)溫電纜要采用屏蔽線，而且要接地良好。

②輸入端或輸出端接有感性負(fù)載元件時(shí)，應(yīng)在兩端并聯(lián)續(xù)流二極管或阻容電路，以抑制電路斷開(kāi)時(shí)產(chǎn)生的電弧對(duì)可編程控制器的影響；當(dāng)井筒接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)等兩線式傳感器的漏電流比較大時(shí)，可能出現(xiàn)故障的輸入信號(hào)，可在輸入端并聯(lián)旁路電阻，以減少輸入電阻。

③可編程控制器應(yīng)與其它設(shè)備分別使用自己的接地裝置，也可采用公用接地線，但禁用串聯(lián)接地方式，因?yàn)檫@種方式會(huì)在設(shè)備間產(chǎn)生電位差。

④提升機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)有較高的可靠性要求，在可編程控制器出現(xiàn)故障的時(shí)候采用冷備系統(tǒng)，即主控可編程控制器和輔控可編程控制器應(yīng)盡量一致，以滿足緊急運(yùn)行時(shí)可投入使用。

⑤供電部分應(yīng)考慮幾個(gè)因素：輸入電源的電壓在一定允許范圍之內(nèi)變化；輸入交流電斷電時(shí)，應(yīng)不破壞控制器的程序和數(shù)據(jù)；在控制系統(tǒng)不允許斷電的場(chǎng)合，要考慮供電電源的冗余；當(dāng)外部設(shè)備電源斷電時(shí)，應(yīng)不影響控制器的供電；要考慮到電源系統(tǒng)的抗干擾措施。他們采取了使用不間斷供電系統(tǒng)、雙路供電系統(tǒng)、隔離變壓器供電系統(tǒng)、單獨(dú)電源給每一個(gè)可編程控制器供電或選用高質(zhì)量的直流電源等方案來(lái)提高控制系統(tǒng)可靠性。

2 采用可編程控制器改造礦山老舊提升機(jī)

兗州礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司從鮑店煤礦開(kāi)始研究在保留提升機(jī)機(jī)械部分和直流主電機(jī)的基礎(chǔ)上，采用大功率晶閘管變流器和可編程控制器來(lái)改造老舊提升機(jī)的原繼電器控制，走出了一條可行之路。

其實(shí)施步驟如下：

①整體搬移原有操作臺(tái)，為新操作臺(tái)安裝創(chuàng)造條件，提升機(jī)改造期間臨時(shí)在搬移到一邊的原操作臺(tái)操作，但仍以老系統(tǒng)運(yùn)行。

②在電樞回路上安裝新舊系統(tǒng)轉(zhuǎn)換刀閘，以便新老系統(tǒng)轉(zhuǎn)換。提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)潤(rùn)滑油泵控制采取多路航空插頭進(jìn)行新老系統(tǒng)切換，老系統(tǒng)可在新系統(tǒng)調(diào)試期間與之并存，互為備用。以后有必要的話可永久保留。

③在安裝中嚴(yán)格質(zhì)量控制，指定將來(lái)參與維護(hù)的技術(shù)熟練人員進(jìn)行安裝，通過(guò)全程參與為調(diào)試完成后轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行和維護(hù)創(chuàng)造條件。

④為縮短新系統(tǒng)調(diào)試時(shí)間，對(duì)井筒位置開(kāi)關(guān)與行程、各個(gè)機(jī)械潤(rùn)滑制動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)等提升系統(tǒng)電控監(jiān)測(cè)量，在傳感器安裝完后進(jìn)行在線送電測(cè)試，校準(zhǔn)每個(gè)測(cè)量參數(shù)，保證與提升系統(tǒng)實(shí)際相對(duì)應(yīng)。老系統(tǒng)提升時(shí)逐步在計(jì)算機(jī)中檢驗(yàn)每一部分持續(xù)的運(yùn)行過(guò)程，保證提升系統(tǒng)能一次性無(wú)誤地實(shí)現(xiàn)切換。

⑤完成裝卸載系統(tǒng)在線調(diào)試后利用老系統(tǒng)提升，但提升機(jī)裝卸載站由新系統(tǒng)中可編程控制器系統(tǒng)控制。采用新老系統(tǒng)混合控制的方式使裝卸載及提升信號(hào)系統(tǒng)控制一次性投入成功，減少了新系統(tǒng)全面調(diào)試工作量。

⑥在傳動(dòng)回路中，電流閉環(huán)和速度、位置閉環(huán)是最關(guān)鍵的部分，其正確與否直接關(guān)系和影響到閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。他們利用每天兩個(gè)小時(shí)的日檢修時(shí)間對(duì)這些環(huán)節(jié)進(jìn)行編碼器輸出試驗(yàn)和電樞回路電流環(huán)控制的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，確定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)各參數(shù)，為全系統(tǒng)空載和重載測(cè)試運(yùn)行創(chuàng)造條件。

⑦利用全礦井機(jī)電設(shè)備停產(chǎn)兩天的檢修時(shí)間直接一次性進(jìn)行全系統(tǒng)空載試運(yùn)行，經(jīng)過(guò)數(shù)次提速后達(dá)到了設(shè)計(jì)運(yùn)行速度。系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)和準(zhǔn)確后再進(jìn)行裝煤重載運(yùn)行試驗(yàn)，最后實(shí)現(xiàn)全載全自動(dòng)方式的提升。

3 KZP型盤(pán)式可控制動(dòng)裝置在下運(yùn)膠帶機(jī)的應(yīng)用

兗州礦業(yè)（集團(tuán)）公司濟(jì)寧三號(hào)煤礦在五采區(qū)的下運(yùn)膠帶輸送機(jī)中加設(shè)了KZP系列盤(pán)式可控制動(dòng)裝置，配合可編程控制器實(shí)現(xiàn)了對(duì)下運(yùn)膠帶輸送機(jī)的軟制動(dòng)。

KZP系列盤(pán)式可控制動(dòng)裝置是機(jī)電液一體化設(shè)備，由制動(dòng)裝置、液壓站以及配套電控系統(tǒng)組成。盤(pán)式可控制動(dòng)裝置的制動(dòng)力矩是由閘瓦與制動(dòng)盤(pán)摩擦而產(chǎn)生的，調(diào)節(jié)閘瓦對(duì)制動(dòng)盤(pán)的正壓力即可改變制動(dòng)力，而制動(dòng)器的正壓力又與液壓系統(tǒng)的控制油壓成比例。機(jī)械設(shè)備正常工作時(shí)油壓達(dá)到最大值，此時(shí)正壓力為0，閘瓦與制動(dòng)盤(pán)之間留有1～1.5mm間隙，即制動(dòng)閘處于松閘狀態(tài)。機(jī)械設(shè)備需要制動(dòng)時(shí)，電液控制系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)工況發(fā)出控制的指令，使制動(dòng)裝置按照預(yù)定的程序自動(dòng)減小油壓以達(dá)到制動(dòng)的要求。盤(pán)式可控制動(dòng)裝置在環(huán)境溫度為40℃時(shí)每小時(shí)制動(dòng)10次，盤(pán)面的最高溫度遠(yuǎn)小于150℃，而且無(wú)火花產(chǎn)生。與電控裝置相互配合，可以使大型機(jī)械設(shè)備的停車(chē)減速度保持在0.05～0.3m/，在系統(tǒng)突然斷電時(shí)仍能確保大型機(jī)械設(shè)備（尤其是帶式輸送機(jī)）平穩(wěn)地減速停車(chē)。其液壓控制系統(tǒng)采用雙回路結(jié)構(gòu)，兩個(gè)回路完全對(duì)稱，可以互為備用。一般依靠蓄能器工作的制動(dòng)閘就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)下運(yùn)帶式膠帶輸送機(jī)的軟制動(dòng)。

KZP系列盤(pán)式可控制動(dòng)裝置的主要特點(diǎn)體現(xiàn)在“可控”上。通過(guò)主驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的輸出軸以及膠帶輸送機(jī)上的速度傳感器來(lái)讀取電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及膠帶速度。重載時(shí)下運(yùn)膠帶有時(shí)會(huì)出現(xiàn)“飛車(chē)”的現(xiàn)象，這個(gè)時(shí)候就要由可編程控制器監(jiān)測(cè)速度傳感器的數(shù)據(jù)。當(dāng)?shù)玫降乃俣却笥谡＿\(yùn)行設(shè)定值時(shí)，由可編程控制器減小制動(dòng)閘電液比例閥的供電電流，從而減小制動(dòng)系統(tǒng)的油壓，制動(dòng)系統(tǒng)施閘使得制動(dòng)閘瓦貼近制動(dòng)閘盤(pán)為膠帶減速。當(dāng)膠帶速度降至正常值以下時(shí)，可編程控制器再按照預(yù)先編制的程序增大制動(dòng)閘電液比例閥的電流，使得閘瓦打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)閘的動(dòng)態(tài)可控運(yùn)行，保障了膠帶輸送機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 井下風(fēng)門(mén)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟閉

兗州礦業(yè)（集團(tuán)）公司東灘煤礦和山東省煤炭科學(xué)研究所開(kāi)展了井下風(fēng)門(mén)自動(dòng)控制的研究，通過(guò)井下風(fēng)門(mén)的特殊結(jié)構(gòu)，由遠(yuǎn)紅外傳感器對(duì)來(lái)往的車(chē)輛進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)，同時(shí)利用可編程控制器實(shí)現(xiàn)井下風(fēng)門(mén)的自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉，保障了車(chē)輛和行人的安全。

現(xiàn)在井下使用的風(fēng)門(mén)均是由人工操作的。由于負(fù)壓大，開(kāi)門(mén)的操作力相當(dāng)大，不僅開(kāi)啟、關(guān)閉十分不便，而且極其容易損壞風(fēng)門(mén)。這項(xiàng)研究的技術(shù)關(guān)鍵在于先開(kāi)窗口然后開(kāi)門(mén)。風(fēng)門(mén)兩側(cè)的空氣有著一定的壓差，由于風(fēng)門(mén)的面積很大，一般風(fēng)門(mén)的開(kāi)啟壓力為30～50kg。但是當(dāng)風(fēng)門(mén)已經(jīng)有了比較小的開(kāi)啟時(shí)，這個(gè)壓力就會(huì)銳減到5kg以下。為了減小開(kāi)啟的壓力，他們?cè)陲L(fēng)門(mén)上設(shè)置一個(gè)窗口。因?yàn)榇翱诘拿娣e比較小，其開(kāi)啟壓力只有10kg左右。窗口打開(kāi)以后，風(fēng)門(mén)內(nèi)外兩側(cè)的壓差立刻大為減小，有效地減小了開(kāi)啟機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度和汽缸的操作力。

此項(xiàng)成果工作原理如下：當(dāng)風(fēng)門(mén)需要開(kāi)啟時(shí)，控制信號(hào)傳送給了二位五通雙控電磁閥，電磁閥打到供氣位置，汽缸的活塞帶動(dòng)行走部分向外運(yùn)動(dòng)，隨即打開(kāi)設(shè)在風(fēng)門(mén)上的小窗。當(dāng)小窗開(kāi)啟到與風(fēng)門(mén)夾角成30時(shí)，小窗就會(huì)被固定銷擋住，無(wú)法繼續(xù)打開(kāi)，而行走支點(diǎn)繼續(xù)向前移動(dòng)，從而帶動(dòng)風(fēng)門(mén)開(kāi)啟。由于風(fēng)門(mén)上的小窗已經(jīng)打開(kāi)，風(fēng)門(mén)內(nèi)外的壓差基本消失，所以風(fēng)門(mén)很容易就可以開(kāi)啟。當(dāng)風(fēng)門(mén)開(kāi)啟角達(dá)到90時(shí)自動(dòng)停止動(dòng)作，車(chē)輛和行人可以通行。當(dāng)風(fēng)門(mén)需要關(guān)閉時(shí)，控制信號(hào)傳輸?shù)蕉晃逋p控電磁閥使其換向，控制壓氣進(jìn)入汽缸的另一端，汽缸的活塞帶動(dòng)行走部分向回移動(dòng)，先是小窗被關(guān)嚴(yán)，然后帶動(dòng)風(fēng)門(mén)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到風(fēng)門(mén)完全被關(guān)嚴(yán)為止。

專家們認(rèn)為：此項(xiàng)成果有效地解決了風(fēng)門(mén)開(kāi)關(guān)不便的難題，可以防止風(fēng)門(mén)撞車(chē)事故的發(fā)生，值得大力推廣使用。

5 可編程控制器在通風(fēng)機(jī)自動(dòng)化變頻控制中的應(yīng)用

兗州礦業(yè)（集團(tuán)）公司楊村煤礦在山東科技大學(xué)的協(xié)助下，成功地將可編程序控制器應(yīng)用于南風(fēng)井和北風(fēng)井的主通風(fēng)機(jī)自動(dòng)化變頻系統(tǒng)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠、調(diào)速平滑方便，而且實(shí)現(xiàn)了包括前導(dǎo)器和風(fēng)門(mén)在內(nèi)的全自動(dòng)操作，由于其結(jié)果使得礦井的風(fēng)量需求減少而全年節(jié)約電費(fèi)110萬(wàn)元。

該系統(tǒng)是以可編程序控制器為控制核心、智能變頻器為執(zhí)行核心的機(jī)電一體化成果。為了確保通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行安全，主回路設(shè)計(jì)為兩部分：低頻部分由1臺(tái)VF61-2004智能變頻器和2臺(tái)ABB型低頻接觸器組成，是通風(fēng)機(jī)的主運(yùn)行回路；工頻部分由2臺(tái)降壓?jiǎn)?dòng)器組成，作為低頻系統(tǒng)的后備回路，用于低頻系統(tǒng)發(fā)生故障的時(shí)候降壓?jiǎn)?dòng)并且全速運(yùn)行通風(fēng)機(jī)。

控制系統(tǒng)由5部分組成：SU-6B工業(yè)可編程序控制器完成系統(tǒng)的自動(dòng)控制和智能保護(hù)、風(fēng)量傳感器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的風(fēng)量閉環(huán)控制、風(fēng)門(mén)絞車(chē)編碼器實(shí)現(xiàn)風(fēng)門(mén)的絞車(chē)精確行程控制、電流變送器實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)的過(guò)流保護(hù)、前導(dǎo)器電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由可編程序控制器控制自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉通風(fēng)機(jī)的前導(dǎo)器。

通風(fēng)機(jī)的風(fēng)門(mén)控制和風(fēng)量閉環(huán)是程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。①在通風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，如果風(fēng)門(mén)的開(kāi)、關(guān)過(guò)位，則有可能造成風(fēng)門(mén)絞車(chē)斷電或者對(duì)風(fēng)門(mén)造成損壞；如果開(kāi)、關(guān)不到位，則會(huì)引起漏風(fēng)從而影響通風(fēng)機(jī)的效率。因而，除了在系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中給予了充分的重視之外（采用TRD1000型軸編碼器），軟件的設(shè)計(jì)也作了周密的考慮。②風(fēng)量閉環(huán)的質(zhì)量直接影響到礦井的通風(fēng)質(zhì)量甚至通風(fēng)安全，所以在軟件設(shè)計(jì)中采用了PD調(diào)節(jié)的方式，以保證閉環(huán)的質(zhì)量。

實(shí)踐表明：此項(xiàng)成果與國(guó)內(nèi)使用單片機(jī)和工業(yè)控制機(jī)進(jìn)行改造的類似項(xiàng)目相比較，無(wú)論是在可靠性還是參數(shù)變更的靈活性方面都具有很大的優(yōu)越性，可以廣泛地應(yīng)用于礦井主通風(fēng)機(jī)的自動(dòng)化改造。