淺談PLC技術(shù)在煤礦電氣自動化中的應(yīng)用現(xiàn)狀

　林偉通，徐羽高

（廣西百色美聯(lián)能源科技有限責(zé)任公司，廣西百色533000）

淺談PLC技術(shù)在煤礦電氣自動化中的應(yīng)用現(xiàn)狀

林偉通，徐羽高

（廣西百色美聯(lián)能源科技有限責(zé)任公司，廣西百色533000）

基于PLC技術(shù)的特點，闡述了PLC技術(shù)在煤礦空氣壓縮機(jī)和提升機(jī)中的應(yīng)用，論述了PLC控制系統(tǒng)在空氣壓縮機(jī)和提升機(jī)優(yōu)勢，指出了PLC技術(shù)在煤礦電氣自動化的發(fā)展趨勢。

PLC技術(shù)；煤炭工業(yè)；電氣自動化；應(yīng)用

PLC是一種采用可編程存貯器，它能夠在其內(nèi)部進(jìn)行諸如算術(shù)計算、計數(shù)、定時、順序控制以及邏輯運(yùn)算等指令的存貯，通過模擬量或數(shù)字量的輸出和輸入進(jìn)一步控制各電氣設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)。PLC是目前最先進(jìn)的控制器，相比以往的繼電器控制技術(shù)，PLC不僅具有使用便捷的特點，而且可靠性高，抗干擾性強(qiáng)。近些年，煤礦電氣自動化行業(yè)對于可持續(xù)發(fā)展的政策日益重視，傳統(tǒng)的高耗能、低效率的設(shè)備正逐步被取代，而PLC技術(shù)正憑借自身的優(yōu)點，通過采用模塊化的形式運(yùn)用在煤礦電氣自動化設(shè)備中，對實現(xiàn)降低能量損耗、提高工作效率起到至關(guān)重要的作用［1］。本文將介紹PLC技術(shù)在煤礦電氣自動化中的應(yīng)用現(xiàn)狀，重點分析PLC技術(shù)在空氣壓縮機(jī)和礦井提升機(jī)中的工作特點，希望對科研工作者研究PLC技術(shù)起到借鑒作用。

1　 PLC技術(shù)在煤礦電氣自動化中的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著煤礦電氣自動化行業(yè)的快速發(fā)展，人們在倡導(dǎo)提高工作效率的同時，設(shè)備的安全性和可靠性也越來越得到關(guān)注。鑒于可編輯控制器（PLC）是目前最先進(jìn)的控制器，PLC技術(shù)有著使用便捷、可靠性高的特點，使得PLC技術(shù)在煤礦電氣自動化中得到了更廣泛的應(yīng)用。其中采用PLC技術(shù)改進(jìn)空氣壓縮機(jī)和提升機(jī)的性能便是眾多應(yīng)用中的典范［2］。

1.1 PLC技術(shù)在空氣壓縮機(jī)中的應(yīng)用

空氣壓縮機(jī)是重要的礦山生產(chǎn)電氣自動化設(shè)備之一，它能生產(chǎn)壓縮空氣，用于帶動鑿巖機(jī)、風(fēng)動裝巖機(jī)等設(shè)備及其它風(fēng)動工具?？諝鈮嚎s機(jī)的運(yùn)行性能及其可靠性可以直接關(guān)系到礦井的安全生產(chǎn)，換句話說，礦山生產(chǎn)的產(chǎn)量和效益與空氣壓縮機(jī)能否正常運(yùn)行有密不可分的關(guān)系［3］。常見的空壓機(jī)可以分成幾種不同的形式，包括往復(fù)式、回轉(zhuǎn)式、螺桿式和離心式。往復(fù)式空壓機(jī)（又稱往復(fù)式空壓機(jī)）在礦山得到了廣泛的應(yīng)用；回轉(zhuǎn)式空壓機(jī)一般位于移動式壓氣設(shè)備系統(tǒng)；螺桿式和離心式壓氣機(jī)的排氣量和壓力較大，適用于空氣消耗量和壓力較大的設(shè)備網(wǎng)路［4］。

2013年以前，國內(nèi)運(yùn)行的空氣壓縮機(jī)大都采用一般的繼電器控制［5］。由于空氣壓縮機(jī)安全生產(chǎn)容易受到壓縮機(jī)的超溫、超壓、斷油等因素的影響，導(dǎo)致煤礦的空壓機(jī)存在運(yùn)行效率低、能量浪費(fèi)嚴(yán)重、控制方式落后、自動化水平低和供氣質(zhì)量差等問題。為了提高空壓機(jī)的可靠性和安全性，降低運(yùn)行成本，改善工作環(huán)境，提高生產(chǎn)效率和自動化水平，科研人員選擇采用PLC作為核心控制器［6］。

1.1.1 PLC技術(shù)在空氣壓縮機(jī)自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

早在2008年，為改進(jìn)空氣壓縮機(jī)的自動控制系統(tǒng)中自動巡回檢測控制，科研人員設(shè)計了以西門子S7-200系列PLC為核心控制器，利用PROFIBUS總線協(xié)議作為系統(tǒng)的通信橋梁，通過傳感檢測儀器為PLC提供控制中所需的信號參數(shù)的方案，其中主要包括對空壓機(jī)高低壓缸溫度、潤滑油溫度、電動機(jī)溫度、風(fēng)包溫度、出水溫度，高低壓缸壓力、潤滑油壓力、風(fēng)包壓力，斷水檢測等參數(shù)的檢測。這套設(shè)計方案最終得到了應(yīng)用，改進(jìn)了空壓機(jī)的自動巡回檢測控制系統(tǒng)，使空壓機(jī)更加智能化［7］。

另外，山東棗莊礦業(yè)集團(tuán)的高莊煤礦為了實現(xiàn)空壓機(jī)參數(shù)的在線實時檢測及智能控制，科研人員采用PLC以及現(xiàn)代檢測技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，對井下空氣壓縮機(jī)進(jìn)行改造（如圖1所示）［8］。新系統(tǒng)由壓力及溫度檢測傳感器、PLC控制柜、帶觸摸屏的西門子可編程控制器（PLC）S7-300及模擬量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、以太網(wǎng)模塊組成。采用集中管理、分散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。整個系統(tǒng)分為三層，包括現(xiàn)場測量控制層、中央管理層和遠(yuǎn)程監(jiān)控層。其中現(xiàn)場測量控制層由各類測量模塊以及傳感器、變送器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，主要用于完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、處理及控制；中央管理層和遠(yuǎn)程監(jiān)控層由監(jiān)控主機(jī)組成，它與現(xiàn)場控制層通過總線相連，動態(tài)監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀況和監(jiān)控數(shù)據(jù)的采集，并向現(xiàn)場設(shè)備發(fā)出控制指令，最終通過控制系統(tǒng)運(yùn)行和利用以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議與其它系統(tǒng)通信，實現(xiàn)傳遞現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)測信息。

圖1　高莊煤礦空壓機(jī)參數(shù)在線實時檢測及智能控制結(jié)構(gòu)分布圖

1.1.2 PLC技術(shù)在空氣壓縮機(jī)變頻系統(tǒng)的應(yīng)用

當(dāng)前PLC技術(shù)不僅可以應(yīng)用在空氣壓縮機(jī)的自動控制系統(tǒng)，而且可以對空壓機(jī)的變頻系統(tǒng)進(jìn)行改良。針對煤礦空壓機(jī)的電能消耗量大，工作效率低下的現(xiàn)狀，科研人員提出一種基于PLC控制的空氣壓縮機(jī)的變頻系統(tǒng)。

四川李子埡南煤礦的科研人員研制了煤礦單臺移動螺桿空氣壓風(fēng)機(jī)PLC自動控制節(jié)能技術(shù)［8］。這項技術(shù)由PLC作為核心控制單元，組成部分主要包括電控系統(tǒng)和氣控系統(tǒng)，通過核心控制單元PLC采集動力氣源系統(tǒng)的壓力參數(shù)，從而決定動力氣源系統(tǒng)中的螺桿空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。假設(shè)動力氣源系統(tǒng)壓力上升到一定值，且不超過額定排氣壓力，當(dāng)開始卸載，空壓機(jī)空載運(yùn)行時間超過一定值且動力氣源系統(tǒng)的壓力沒有降到螺桿空壓機(jī)的加載壓力，此時螺桿空氣壓縮機(jī)自動停機(jī)。停機(jī)后動力氣源系統(tǒng)壓力繼續(xù)下降，在下降到螺桿空壓機(jī)的加載壓力時，螺桿壓縮機(jī)開始運(yùn)行并向動力氣源輸送高壓氣體，致使動力氣源系統(tǒng)壓力上升。若動力氣源系統(tǒng)壓力上升到螺桿空壓機(jī)的額定排氣壓力，卸載后，空壓機(jī)的空載運(yùn)行時間沒有超過一定值且動力氣源系統(tǒng)壓力又降到螺桿空壓機(jī)的加載壓力，則螺桿空壓機(jī)繼續(xù)加載運(yùn)行不停機(jī)。這套節(jié)能技術(shù)避免了螺桿空壓機(jī)的重載啟動和頻繁啟動，通過PLC技術(shù)，實現(xiàn)了對空氣壓縮機(jī)節(jié)能的目的。

1.2 PLC技術(shù)在礦井提升機(jī)中的應(yīng)用

PLC技術(shù)除了在空氣壓縮機(jī)中得到應(yīng)用，在礦井提升機(jī)的改進(jìn)中也有PLC技術(shù)的支持。礦井提升機(jī)在煤礦生產(chǎn)中起到連接地面和井下輸送的作用，且在煤礦的斜井和豎井中使用廣泛。保證礦井提升機(jī)的可靠性和安全性，避免在井道中發(fā)生意外，這些都是實現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)的必要因素。傳統(tǒng)的礦井提升機(jī)大多采用繼電器和接觸器組成的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、接線多、調(diào)速精度較低等缺點。早在上世紀(jì)八十年代，科研人員開始選擇采用PLC與變頻器組成控制系統(tǒng)，盡可能使礦井提升機(jī)的安全性、使用性和節(jié)能性得到改善［9］。

1.2.1 PLC技術(shù)在提升機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

在提升機(jī)控制系統(tǒng)中，PLC核心控制單元通常采用一體化結(jié)構(gòu)，即將所有的電路裝入模塊中，進(jìn)而形成簡單的電路模塊。這種模塊具有體積小，安裝方便的特點，且能夠通過邏輯運(yùn)行將運(yùn)算結(jié)果和信號傳遞給外接電源或繼電器等模塊，若將PLC用于提升機(jī)的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)還會具有控制方便的特點。在現(xiàn)場控制中還可以采用上位機(jī)的形式對系統(tǒng)進(jìn)行編程和調(diào)試，也可以完成對系統(tǒng)運(yùn)行中參數(shù)的監(jiān)測和監(jiān)控［10］。

西門子S7-300是現(xiàn)在較先進(jìn)且應(yīng)用較為廣泛的PLC控制器，它采用并行的連接方式，連接方式的設(shè)置上為開關(guān)量連接和模擬量連接。其中，開關(guān)量連接方式有抗干擾能力、獨(dú)立性和自控性較強(qiáng)的特點?，F(xiàn)場應(yīng)用時，可以根據(jù)設(shè)備的實際運(yùn)行方式或狀態(tài)，對礦井提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的變頻器進(jìn)行S形的速度給定，保證準(zhǔn)S形的標(biāo)準(zhǔn)絞車的運(yùn)行速度。

2015年，科研人員選擇使用西門子S7-300PLC作為主控制器，采用上位機(jī)監(jiān)控，設(shè)計了一種新型提升機(jī)控制系統(tǒng)。通過處理所采集的礦井現(xiàn)場設(shè)備的各種信號和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對礦井提升機(jī)運(yùn)行的全數(shù)字控制。其中，主控系統(tǒng)直接控制電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以及液壓站潤滑站等，調(diào)速系統(tǒng)基于雙閉環(huán)調(diào)節(jié)方式實現(xiàn)。硬件方面，除了選用CPU315-DP中央處理單元外，還通過進(jìn)行相應(yīng)的I/O模塊配置，實現(xiàn)對工作狀態(tài)的監(jiān)視和控制；系統(tǒng)PLC數(shù)字量輸入模塊選用6ES7 321-1FH00-0AA0，用于完成對電氣設(shè)備諸如行程開關(guān)、操作按鈕等狀態(tài)信號和數(shù)字量信號的采集。數(shù)字量輸出模塊選用6ES7 322-1FH00-0AA0，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)各電機(jī)、電動閥進(jìn)行控制。模擬量輸入模塊選用6ES7 331-7KF00-0AB0，模擬量輸出模塊選用6ES7 332-5HF00-0AB0，分別實現(xiàn)對現(xiàn)場儀表或者各種檢查信號的采集，以及實現(xiàn)提升機(jī)的變頻調(diào)速控制。同時科研人員設(shè)計了多重保護(hù)和聯(lián)鎖功能，最終不僅提高了煤炭的生產(chǎn)效率，還提高了提升機(jī)的安全性和可靠性［11］。

可見，PLC技術(shù)在礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用可以實現(xiàn)煤礦生產(chǎn)的自動化，具有穩(wěn)定性好、精確度高、故障率低的特點，提高煤炭生產(chǎn)效率的同時，降低了員工的工作強(qiáng)度。筆者認(rèn)為，大力推廣并發(fā)展PLC技術(shù)在礦井提升機(jī)中的應(yīng)用，可以更大程度的實現(xiàn)煤礦電氣設(shè)備的自動化和煤礦生產(chǎn)的現(xiàn)代化，符合當(dāng)今社會的發(fā)展要求。

2　 PLC技術(shù)在煤礦電氣自動化中的總結(jié)及展望

結(jié)合PLC技術(shù)在煤礦空氣壓縮機(jī)和礦井提升機(jī)的應(yīng)用，經(jīng)分析可知PLC對于煤礦生產(chǎn)的重要性和先進(jìn)性，具體體現(xiàn)如下：

（1）實現(xiàn)各參數(shù)在上下機(jī)控制系統(tǒng)中的實時傳遞，體現(xiàn)了PLC技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化前景；

（2）可以根據(jù)使用者的需求，給與使用者對于所需數(shù)據(jù)的精確計算或統(tǒng)計，體現(xiàn)了PLC技術(shù)的智能化和精度化；

（3）由于現(xiàn)有PLC系統(tǒng)采用各自廠家的標(biāo)準(zhǔn)，造成設(shè)計模式、結(jié)構(gòu)、編程的不統(tǒng)一，隨著該技術(shù)的大量應(yīng)用，有必要制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計模式、結(jié)構(gòu)、編程等。

筆者以為，通過選購合適的PLC，經(jīng)過設(shè)計對應(yīng)設(shè)備所需的電路，必要時加以改進(jìn)，使PLC的作用得到更充分的發(fā)揮。同時，將PLC技術(shù)更廣泛的應(yīng)用在煤礦電氣自動化設(shè)備中，是未來煤礦行業(yè)提高自動化、信息化的一條必經(jīng)之路。

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Discussion and App lication of PLC in CoalMine Electric Automation

LINWei-tong，XU Yu-gao
（Guangxi Baise Meilian Energy and Technology Co.，Ltd.，Baise Guangxi 533000，China）

Based on the characteristic of PLC，this essay illustrates applications of PLC in coalmine air compressor and hoist.Meanwhile，this paper demonstrates the advantages of PLC control system during using air compressor and hoist.In addition，it shows that the development of PLC in coalmine electric automation in the future.

PLC；coal industry；electric automation；application

TD67

A

1672-545X（2016）06-0114-03

2016-03-12

廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃（桂科能1598020-8）

林偉通（1965－），男，廣西貴港人，工程師，碩士研究生，從事礦山電力系統(tǒng)的研發(fā)；徐羽高（1992-），男，廣西桂林人，本科，助理工程師，從事電氣工程的研究。