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、可靠性強，編程語言簡易、普及和編程方便，可以在線進行修改、柔性好等特點，在工業(yè)現(xiàn)場已被廣泛地應用于各行各業(yè)的開關(guān)邏輯控制、機械設(shè)備的數(shù)字控制、機器人和自動裝置的控制，閉環(huán)過程控制以及多級自動控制系統(tǒng)。近幾年來，兗州礦業(yè)（集團）有限責任公司及其下屬各礦針對以前在礦井設(shè)備應用可編程序控制器方面存在的問題進行了認真分析和歸納，積極應用當前已有的可編程序控制器應用新技術(shù)，提出解決方案并進行了推廣與實施，有效地保障了礦井設(shè)備的可靠運行，取得了良好的效果。

1 數(shù)控提升機可編程控制器的可靠性研究

中國礦業(yè)大學和兗州礦業(yè)（集團）有限責任公司使用可編程控制器來改造現(xiàn)有的礦井提升機電控系統(tǒng)，進行數(shù)控提升機可編程控制器的可靠性研究，使其具有更強的抗干擾能力伙計與用戶連接的適應性。

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。

此項研究指出：

①安裝與布線方面，可編程控制器應遠離大功率的可控硅裝置、高頻電焊機和大型的動力設(shè)備等干擾源；I/O線與控制線應分開走，并保持一定距離；在電纜溝內(nèi)把動力線與控制線分別敷設(shè)在電纜溝的兩側(cè)，測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載元件時，應在兩端并聯(lián)續(xù)流二極管或阻容電路，以抑制電路斷開時產(chǎn)生的電弧對可編程控制器的影響；當井筒接近開關(guān)、光電開關(guān)等兩線式傳感器的漏電流比較大時，可能出現(xiàn)故障的輸入信號，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，因為這種方式會在設(shè)備間產(chǎn)生電位差。

④提升機對控制系統(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盡量一致，以滿足緊急運行時可投入使用。

⑤供電部分應考慮幾個因素：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，應不破壞控制器的程序和數(shù)據(jù)；在控制系統(tǒng)不允許斷電的場合，要考慮供電電源的冗余；當外部設(shè)備電源斷電時，應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)、單獨電源給每一個可編程控制器供電或選用高質(zhì)量的直流電源等方案來提高控制系統(tǒng)可靠性。

2 采用可編程控制器改造礦山老舊提升機

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

其實施步驟如下：

①整體搬移原有操作臺，為新操作臺安裝創(chuàng)造條件，提升機改造期間臨時在搬移到一邊的原操作臺操作，但仍以老系統(tǒng)運行。

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。提升機制動系統(tǒng)潤滑油泵控制采取多路航空插頭進行新老系統(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在安裝中嚴格質(zhì)量控制，指定將來參與維護的技術(shù)熟練人員進行安裝，通過全程參與為調(diào)試完成后轉(zhuǎn)入正常運行和維護創(chuàng)造條件。

④為縮短新系統(tǒng)調(diào)試時間，對井筒位置開關(guān)與行程、各個機械潤滑制動系統(tǒng)狀態(tài)等提升系統(tǒng)電控監(jiān)測量，在傳感器安裝完后進行在線送電測試，校準每個測量參數(shù)，保證與提升系統(tǒng)實際相對應。老系統(tǒng)提升時逐步在計算機中檢驗每一部分持續(xù)的運行過程，保證提升系統(tǒng)能一次性無誤地實現(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。他們利用每天兩個小時的日檢修時間對這些環(huán)節(jié)進行編碼器輸出試驗和電樞回路電流環(huán)控制的動態(tài)試驗，確定系統(tǒng)的動態(tài)響應各參數(shù)，為全系統(tǒng)空載和重載測試運行創(chuàng)造條件。

⑦利用全礦井機電設(shè)備停產(chǎn)兩天的檢修時間直接一次性進行全系統(tǒng)空載試運行，經(jīng)過數(shù)次提速后達到了設(shè)計運行速度。系統(tǒng)運行平穩(wěn)和準確后再進行裝煤重載運行試驗，最后實現(xiàn)全載全自動方式的提升。

3 KZP型盤式可控制動裝置在下運膠帶機的應用

兗州礦業(yè)（集團）公司濟寧三號煤礦在五采區(qū)的下運膠帶輸送機中加設(shè)了KZP系列盤式可控制動裝置，配合可編程控制器實現(xiàn)了對下運膠帶輸送機的軟制動。

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

KZP系列盤式可控制動裝置的主要特點體現(xiàn)在“可控”上。通過主驅(qū)動電動機的輸出軸以及膠帶輸送機上的速度傳感器來讀取電動機轉(zhuǎn)速及膠帶速度。重載時下運膠帶有時會出現(xiàn)“飛車”的現(xiàn)象，這個時候就要由可編程控制器監(jiān)測速度傳感器的數(shù)據(jù)。當?shù)玫降乃俣却笥谡＿\行設(shè)定值時，由可編程控制器減小制動閘電液比例閥的供電電流，從而減小制動系統(tǒng)的油壓，制動系統(tǒng)施閘使得制動閘瓦貼近制動閘盤為膠帶減速。當膠帶速度降至正常值以下時，可編程控制器再按照預先編制的程序增大制動閘電液比例閥的電流，使得閘瓦打開，實現(xiàn)了制動閘的動態(tài)可控運行，保障了膠帶輸送機的正常運轉(zhuǎn)。

4 井下風門實現(xiàn)自動啟閉

兗州礦業(yè)（集團）公司東灘煤礦和山東省煤炭科學研究所開展了井下風門自動控制的研究，通過井下風門的特殊結(jié)構(gòu)，由遠紅外傳感器對來往的車輛進行動態(tài)檢測，同時利用可編程控制器實現(xiàn)井下風門的自動開啟和關(guān)閉，保障了車輛和行人的安全。

現(xiàn)在井下使用的風門均是由人工操作的。由于負壓大，開門的操作力相當大，不僅開啟、關(guān)閉十分不便，而且極其容易損壞風門。這項研究的技術(shù)關(guān)鍵在于先開窗口然后開門。風門兩側(cè)的空氣有著一定的壓差，由于風門的面積很大，一般風門的開啟壓力為30～50kg。但是當風門已經(jīng)有了比較小的開啟時，這個壓力就會銳減到5kg以下。為了減小開啟的壓力，他們在風門上設(shè)置一個窗口。因為窗口的面積比較小，其開啟壓力只有10kg左右。窗口打開以后，風門內(nèi)外兩側(cè)的壓差立刻大為減小，有效地減小了開啟機構(gòu)的強度和汽缸的操作力。

此項成果工作原理如下：當風門需要開啟時，控制信號傳送給了二位五通雙控電磁閥，電磁閥打到供氣位置，汽缸的活塞帶動行走部分向外運動，隨即打開設(shè)在風門上的小窗。當小窗開啟到與風門夾角成30時，小窗就會被固定銷擋住，無法繼續(xù)打開，而行走支點繼續(xù)向前移動，從而帶動風門開啟。由于風門上的小窗已經(jīng)打開，風門內(nèi)外的壓差基本消失，所以風門很容易就可以開啟。當風門開啟角達到90時自動停止動作，車輛和行人可以通行。當風門需要關(guān)閉時，控制信號傳輸?shù)蕉晃逋p控電磁閥使其換向，控制壓氣進入汽缸的另一端，汽缸的活塞帶動行走部分向回移動，先是小窗被關(guān)嚴，然后帶動風門轉(zhuǎn)動，直到風門完全被關(guān)嚴為止。

專家們認為：此項成果有效地解決了風門開關(guān)不便的難題，可以防止風門撞車事故的發(fā)生，值得大力推廣使用。

5 可編程控制器在通風機自動化變頻控制中的應用

兗州礦業(yè)（集團）公司楊村煤礦在山東科技大學的協(xié)助下，成功地將可編程序控制器應用于南風井和北風井的主通風機自動化變頻系統(tǒng)，運行穩(wěn)定可靠、調(diào)速平滑方便，而且實現(xiàn)了包括前導器和風門在內(nèi)的全自動操作，由于其結(jié)果使得礦井的風量需求減少而全年節(jié)約電費110萬元。

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)行核心的機電一體化成果。為了確保通風機的運行安全，主回路設(shè)計為兩部分：低頻部分由1臺VF61-2004智能變頻器和2臺ABB型低頻接觸器組成，是通風機的主運行回路；工頻部分由2臺降壓啟動器組成，作為低頻系統(tǒng)的后備回路，用于低頻系統(tǒng)發(fā)生故障的時候降壓啟動并且全速運行通風機。

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)的自動控制和智能保護、風量傳感器實現(xiàn)系統(tǒng)的風量閉環(huán)控制、風門絞車編碼器實現(xiàn)風門的絞車精確行程控制、電流變送器實現(xiàn)通風機的過流保護、前導器電動執(zhí)行機構(gòu)由可編程序控制器控制自動開啟和關(guān)閉通風機的前導器。

通風機的風門控制和風量閉環(huán)是程序設(shè)計的關(guān)鍵點。①在通風機運行過程中，如果風門的開、關(guān)過位，則有可能造成風門絞車斷電或者對風門造成損壞；如果開、關(guān)不到位，則會引起漏風從而影響通風機的效率。因而，除了在系統(tǒng)的硬件設(shè)計中給予了充分的重視之外（采用TRD1000型軸編碼器），軟件的設(shè)計也作了周密的考慮。②風量閉環(huán)的質(zhì)量直接影響到礦井的通風質(zhì)量甚至通風安全，所以在軟件設(shè)計中采用了PD調(diào)節(jié)的方式，以保證閉環(huán)的質(zhì)量。

實踐表明：此項成果與國內(nèi)使用單片機和工業(yè)控制機進行改造的類似項目相比較，無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，可以廣泛地應用于礦井主通風機的自動化改造。