PLC技術(shù)在礦山機電控制中的應(yīng)用研究

李志國

（大同煤礦集團北辛窯煤業(yè)有限公司，山西大同 037001）

0 前言

在煤礦機電控制過程中，PLC技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，PLC技術(shù)中結(jié)合了數(shù)字運算技術(shù)以及數(shù)字模擬技術(shù)，其擁有非常強的邏輯性，可以完成機電設(shè)備的自動化控制工作。和以往的機電設(shè)備控制系統(tǒng)對比而言，基于PLC技術(shù)而建立的機電設(shè)備控制系統(tǒng)更為靈敏，而且在運行過程中擁有優(yōu)良的可靠性。不過，在煤礦機電控制過程中，要想確保PLC技術(shù)的作用可以更好發(fā)揮，應(yīng)當(dāng)事先設(shè)計較為完善的方案，確保方案具有較強的可操作性能，如此才可以充分發(fā)揮PLC技術(shù)在機電控制過程中的優(yōu)勢，確保煤礦機電控制的安全性以及穩(wěn)定性。本文以煤礦機電設(shè)備中的皮帶機設(shè)備為例，闡述PLC技術(shù)在皮帶機機電控制系統(tǒng)中的具體應(yīng)用。

1 礦用皮帶機機電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

目前，北辛窯礦主斜井皮帶機生產(chǎn)廠家為上?？拼笾毓ぜ瘓F有限公司，型號為DTL160/350/4*1 600，運輸量為3 000 t/h，帶寬為1 600 mm，安裝長度為905 m，傾角為0°～20°，提升高度約為270 m，帶速為4.5 m/s，膠帶為鋼繩芯阻燃膠帶，帶強為4 000 N/mm；配套3臺電機，生產(chǎn)廠家為南陽防爆集團股份有限公司，型號為YBBP800S1-4，功率為1 600 kW，轉(zhuǎn)速為1 480 r/min，電壓等級為10 kV，兩用一備）；配套3臺減速機，型號為ML3PSF140-31.5，速比為31.5，兩用一備。

基于PLC技術(shù)的皮帶機電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該控制系統(tǒng)中不同部分的具體功能如下。

（1）在機電控制的主要控制系統(tǒng)之中，最為重要的部分便是PLC控制裝置，該控制裝置能夠決定系統(tǒng)采用何種方式工作以及機電控制系統(tǒng)的具體控制模式，負(fù)責(zé)各個執(zhí)行命令的發(fā)布，確保皮帶機能夠完成啟動、停止、減速以及加速運行等操作[1]。

（2）輔助控制系統(tǒng)所包含功能是控制動力制動速度閉環(huán)環(huán)節(jié)以及測速環(huán)節(jié)。

（3）監(jiān)控系統(tǒng)則主要是負(fù)責(zé)對皮帶機運行的各個參數(shù)加以監(jiān)測，其監(jiān)測內(nèi)容包含有電機速率監(jiān)測、加速度監(jiān)測、箕斗位置監(jiān)測以及各種故障問題監(jiān)測等，同時還能夠針對皮帶機具體運行過程開展模擬分析，能夠讓操作人員更加直觀地了解皮帶機具體運行狀況[2]。

圖1 皮帶機設(shè)備機電控制系統(tǒng)框架示意圖

2 礦用皮帶機機電控制系統(tǒng)改造方案分析

2.1 主控系統(tǒng)的改造方案

機電控制系統(tǒng)之中，主控系統(tǒng)主要是對皮帶機加速、減速以及爬行等操作的控制。在該主控系統(tǒng)之中采用的PLC裝置為三菱公司生產(chǎn)的FX2N系列PLC控制裝置，設(shè)置兩臺各項參數(shù)完全一致的PLC控制裝置。皮帶機設(shè)備具體運行過程中，若是主控系統(tǒng)中的PLC裝置出現(xiàn)問題，則能夠即刻確保備用PLC裝置投入運行，確保不會影響到生產(chǎn)正常進行。在軟件設(shè)計中，主控制系統(tǒng)包含有若干子系統(tǒng)，每一個子系統(tǒng)分別完成皮帶機設(shè)備手動工作方式、半自動工作方式、自動工作方式的控制[3]。在主控系統(tǒng)硬件選擇時，采用的是高速計速模塊，該模塊主要的功能是對滾筒運行數(shù)據(jù)進行收集，從而實時的對皮帶機位置加以監(jiān)測，并且對皮帶機運行超速或者偏斜問題進行判斷。

2.2 變頻調(diào)速系統(tǒng)改造方案

PLC電控系統(tǒng)應(yīng)提供合理優(yōu)化的可控起動和制動功能，控制輸送機按適當(dāng)?shù)钠饎?、制動速度或加速度曲線起動和制動，滿足帶式輸送機各種運行工況的要求，包括可控起動、控制變速和定速帶載運行、可控停車以及緊急停車等。變頻調(diào)速裝置采用的是合康億盛生產(chǎn)的HI?VERT-YVF型變頻調(diào)速裝置，該變頻調(diào)速裝置所采用的技術(shù)為矢量控制正弦波PWM調(diào)控方法，該種調(diào)速方法擁有更加優(yōu)良的調(diào)速性能，而且在調(diào)速過程中具有更高的可靠性，調(diào)速時也更為便捷，可以更好地滿足四象限運行要求。在系統(tǒng)運行時，利用變頻裝置便能夠保證驅(qū)動設(shè)備依照相應(yīng)的速率運行，從而更好地滿足各個階段之中皮帶輸送系統(tǒng)對于速率的需求。變頻裝置自身還擁有過載保護、過流保護以及過壓保護等功能，若是皮帶機在運行時發(fā)生偏斜或者超速等問題，變頻調(diào)控裝置便能夠和系統(tǒng)之中傳感裝置相互配合，確保對皮帶輸送系統(tǒng)實時的保護，從而保障煤礦皮帶機運行的安全性。

2.3 上位機監(jiān)控系統(tǒng)的改造方案

在信息技術(shù)以及PLC技術(shù)不斷的發(fā)展過程中，PLC控制系統(tǒng)的功能也隨之增強，在PLC控制系統(tǒng)之中，還能夠?qū)⑵C具體運行參數(shù)、運行狀態(tài)以及故障問題等以更加直觀與具體的方式展示，這樣便能夠確保管理人員更全面與迅速的了解皮帶機具體運行情況，從而有效的保障皮帶機安全運行[4]。所以，在對上位機控制系統(tǒng)進行改造的過程中，應(yīng)當(dāng)構(gòu)建人機交互工作臺，對皮帶機設(shè)備運行過程中的各個參數(shù)進行管理與監(jiān)控。上位機設(shè)備采用工業(yè)計算機，能夠?qū)ζC整個工作流程進行監(jiān)控，能夠動態(tài)顯示皮帶機運行參數(shù)，同時還具有故障報警功能，支持報表打印。

2.4 信號控制改造方案

皮帶機控制系統(tǒng)要收集皮帶機運行過程中各個階段的數(shù)據(jù)信息，其中包含有運行數(shù)據(jù)信息、操作數(shù)據(jù)信息以保護數(shù)據(jù)信息等，全部控制信號均需要輸入至PLC控制裝置之中。PLC對所有的輸入信號加以處理，通過邏輯運算的方式，得出運算結(jié)果，并且將結(jié)果輸出形成控制命令，以滿足不同情況下皮帶機的運行需求。例如，在對故障信號的處理過程中，當(dāng)故障信號出現(xiàn)時，PLC裝置便會依照故障的等級不同加以分類處理，按照各種故障的優(yōu)先等級輸入至安全回路以及保護系統(tǒng)之中，完成邏輯運算工作，并且將運算結(jié)果輸出，例如輸出停車指令或者安全制動指令等，然后由對應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行各種操作命令，而且，各種信號均被輸送到上位機之中顯示出來[5]。

聯(lián)絡(luò)信號應(yīng)包括斷路器分合閘狀態(tài)信號、故障信號、分閘控制信號和合閘控制信號，控制柜可以遠程控制高壓斷路器柜的分、合閘；如果由變頻器檢測到系統(tǒng)電網(wǎng)欠壓，通過控制柜可操作高壓斷路器柜分閘；如果檢測到斷路器故障信號，本系統(tǒng)按報警處理；如果在運行期間，某高壓斷路器柜突然跳閘，則緊急停車。皮帶電控廠家與開關(guān)柜廠家應(yīng)密切聯(lián)系以實現(xiàn)以上功能。

2.5 安全保護改造方案

在主斜井驅(qū)動機房內(nèi)，設(shè)置集中控制室，并配置一套PLC監(jiān)控系統(tǒng)，由PLC控制系統(tǒng)完成對整個皮帶主電機及附屬低壓電機的監(jiān)控，變頻器與PLC控制器之間的通訊通過Profibus DP來實現(xiàn)。同時主斜井驅(qū)動機房集中控制室兼做礦井膠帶運輸系統(tǒng)的集中控制室。

在對安全保護控制系統(tǒng)進行改造時，設(shè)置了更加全面的保護功能，其中包含有超速保護、故障保護、制動油過壓保護等。安全保護控制系統(tǒng)之中還設(shè)置有硬件安全電路以及軟件安全電路。硬件電路負(fù)責(zé)實現(xiàn)硬件安全回路的各項保護功能，軟件安全電路則嵌套于PLC裝置中的軟件系統(tǒng)里，硬件安全電路和軟件安全電路互為冗余且互相閉鎖。若是安全電路斷開之后，則皮帶機控制系統(tǒng)便會做緊急制動操作，即刻將運行指令解除[6]。

3 礦用皮帶機機電控制系統(tǒng)應(yīng)用效果

3.1 經(jīng)濟效益

系統(tǒng)改造之后，確保了對皮帶機自動化控制，使得皮帶機運行曲線得以優(yōu)化，消除了人為操作過程中滯后時間，進一步增加了皮帶機的皮帶輸送能力。網(wǎng)絡(luò)化控制方式確保管理人員可以在控制中心通過上位機便能夠?qū)崟r了解皮帶機運行狀況，可以實現(xiàn)對皮帶機全天候的監(jiān)控，確保皮帶機的運行效率全面提升[7]。皮帶機機電控制系統(tǒng)應(yīng)用之前，皮帶機平均單日耗電量為6760度，皮帶機機電控制系統(tǒng)運用之后，皮帶機平均單日耗電量為5940度，平均每日節(jié)約電能為820度，每年按照330個工作日進行計算，則每年可節(jié)約電能為：820×330=270600度，按照目前工業(yè)用電價格0.5元/度計算，那么每年可以節(jié)約電費為270600×0.5=13.53萬元，可見僅僅節(jié)電一項經(jīng)濟效益便非?？捎^。

應(yīng)用PLC控制系統(tǒng)之后，很多工作均是通過控制系統(tǒng)完成，可以實現(xiàn)皮帶機自動化操作，遠程對皮帶機進行監(jiān)控，確保事故發(fā)生概率進一步降低。在北辛窯礦皮帶機設(shè)備未經(jīng)過改造之前，皮帶機每月由于故障問題平均停運3h左右[8]。經(jīng)過PLC控制系統(tǒng)改造之后，至今未出現(xiàn)一次事故，而且，因為皮帶輸送過程中采用自動化操作，使得單位時間皮帶機輸送量更為穩(wěn)定，確保了煤礦生產(chǎn)中各項計劃編制擁有更為可靠的依據(jù)。

3.2 社會效益

北辛窯礦皮帶機設(shè)備在經(jīng)過PLC機電控制系統(tǒng)改造之后，確保了企業(yè)自動化程度進一步提升，進一步推動了企業(yè)從粗放型生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榧s型生產(chǎn)的步伐，對煤礦生產(chǎn)效率提升起到了很好的促進作用。在應(yīng)用PLC機電控制系統(tǒng)之后，確保皮帶機能夠安全、自動運行，若是系統(tǒng)發(fā)生故障問題，PLC機電控制系統(tǒng)便會對故障加以判斷并及時發(fā)出預(yù)警信號，預(yù)警信號能夠直接輸送至上位機之中，確保維護工作人員可以更加迅速與準(zhǔn)確地找到故障位置，從而顯著減輕了工作人員的勞動強度，也使得作業(yè)人員的工作環(huán)境得以優(yōu)化。