PLC 技術在礦山機電控制中的應用研究

王福新，馮紹玉

（山東信力工礦安全檢測有限公司，山東 濟寧 273500）

隨著礦山資源需求的逐漸增加，不僅要加強對各類礦石資源的勘探，更需要優(yōu)化開發(fā)技術，提升對礦產(chǎn)資源利用的充分性，為此需要提升對礦山的開采效率。針對礦山的機電控制，可以使用PLC 技術進行控制工作的優(yōu)化，替代傳統(tǒng)的機電控制模式，從而提升礦山機電系統(tǒng)穩(wěn)定性，解決過去機電系統(tǒng)在功能上的不足，推動提升對礦山的開發(fā)水平。

1 PLC 技術概述

1.1 PLC 技術內(nèi)涵

PLC 的全稱是“可編程邏輯控制器”，是一種具備編程功能的邏輯控制儲存器，是廣泛應用于工業(yè)自動化領域的控制技術。能夠根據(jù)用戶輸入的數(shù)據(jù)進行邏輯運算、機械定時，輸出控制指令，完成對機械設備的控制。PLC 采用可編程的數(shù)字邏輯電路，包括儲存器、CPU、I/O、編程器、控制器等模塊，還可以根據(jù)需求增加其他模塊，所以具有靈活性強、可編程性好、可擴展性高等特點，能快速完成運算和分析，實現(xiàn)對機電系統(tǒng)的有效控制。

圖1 PLC 常見結構

1.2 PLC 技術特性

（1）邏輯處理速度快。PLC 可以高速完成邏輯處理，快速響應輸入信號并完成邏輯判斷和控制輸出，每秒可以完成對成百上千條數(shù)據(jù)信息的處理，在短時間內(nèi)完成對對數(shù)據(jù)的采樣、量化和編碼。使得PLC 技術在礦山機電控制中能夠實現(xiàn)實時的監(jiān)測和控制，而且PLC 也可以通過網(wǎng)絡和云服務系統(tǒng)取得聯(lián)系，由云服務系統(tǒng)快速完成數(shù)據(jù)計算，完成復雜的數(shù)據(jù)分析工作，確保設備的穩(wěn)定運行和生產(chǎn)過程的順利進行。

（2）安全配置高。PLC 主要包括控制電路和內(nèi)部儲存系統(tǒng)，提供了豐富的安全配置功能，運行過程中處于隔離工作模式，能夠保障礦山機電控制系統(tǒng)的安全性。例如，PLC 的CPU 在運行過程中不會受到外界干擾，可以實現(xiàn)輸入和輸出的電氣隔離，防止干擾和電氣故障引起的意外事故。根據(jù)需要，PLC 系統(tǒng)還支持安全功能模塊，如緊急停止、安全門監(jiān)控等，確保礦山設備和操作人員的安全。PLC 在運行過程中，會進行溫度監(jiān)控，保持設備處于50℃以下的溫度，而且能夠在運行中監(jiān)控數(shù)據(jù)信息的動態(tài)變化，如果發(fā)現(xiàn)溫度過高，PLC 便不再工作，根據(jù)需要PLC 也能重啟。

（3）操作靈活度大。PLC 技術具有較高的靈活性，能根據(jù)功能需求進行設備配置，安裝不同模塊以及編寫程序。PLC 主要利用集成控制電路板和二極管數(shù)據(jù)塊等組件，部分模塊可以直接通過制造商定制，滿足安裝和控制的需求。系統(tǒng)安裝過程中，PLC 使用了一次性連接模式，每個原始串聯(lián)模塊都有固定的端口連接，還可以使用通用安裝器簡化安裝過程。同時，PLC 可以使用的編程語言也比較豐富，讓工程師能夠根據(jù)實際需求進行靈活的邏輯控制設計，但是目前一般使用C 語言進行編程，可以減少內(nèi)存占用，適應不同的工作場景和變化的控制需求。

2 PLC 技術在礦山機電控制系統(tǒng)中的應用優(yōu)勢

2.1 運行可靠性高

礦山開采作業(yè)中，所處的環(huán)境具有很高的復雜性，并且開采過程中周圍的環(huán)境會不斷變化，會受到地形、地勢等條件的影響，很多礦山內(nèi)部還具有比較獨特的地理特征。所以，礦山開采工作的具有比較高的風險，對設備可靠性要求比較高，為了保證順利進行，系統(tǒng)能快速根據(jù)周圍環(huán)境狀況完成決策，實現(xiàn)對各類機電設備的高效率管控，保證開采效率和人身安全。PLC 采用工業(yè)級的硬件設計和可靠的軟件算法，并且引入了抗干擾技術，能夠在惡劣的工作環(huán)境中穩(wěn)定運行，并且在設備的運行控制環(huán)節(jié)，可以自主完成對環(huán)境狀況的分析，根據(jù)預設的控制邏輯進行精確的輸出控制，確保設備的安全運行和工作流程的順利進行。在PLC 的支持下，能滿足對機電設備實施控制的需求，對周圍的安全問題可以做出快速反應，提升開采工作的可靠性。

2.2 運行能耗低

礦山開發(fā)會產(chǎn)生較高的能耗，特別在面對復雜環(huán)境時，機電設備的能耗會比較高。高能耗不僅不能滿足當前綠色環(huán)保的要求，也會因為能源問題對礦山的開發(fā)工作造成限制，不利于礦山開發(fā)行業(yè)的長期發(fā)展。PLC 技術的應用，能實現(xiàn)對礦山機電設備的精確操控，從而減少作業(yè)環(huán)節(jié)的能源消耗，實現(xiàn)提升效率的同時降低能耗。同時，通過編程和配置，能進行更高效的能源管理和控制，優(yōu)化設備的工作模式和運行參數(shù)，實現(xiàn)能源的有效利用和節(jié)約。例如，分析整個設備的運行過程，優(yōu)化運行路徑，避免不必要的能源浪費，進一步降低能耗，可以獲得較高的能耗控制效果。

2.3 功能多樣性

針對礦山所處的復雜環(huán)境，目前，對機電設備的功能要求更加復雜，需要不斷進行周圍環(huán)境的參數(shù)的采集、分析、運算和處理，并根據(jù)分析結果控制設備的運行模式。引入PLC 技術后，能夠讓礦山機電控制系統(tǒng)具有更多樣的功能，通過配置不同模塊，以及針對需求進行編程，可以根據(jù)不同的控制需求實現(xiàn)各種功能模塊的設計和集成。例如，可以進行實時的設備位置分析，PLC 系統(tǒng)獲得溫度等實時參數(shù)發(fā)出指令，實現(xiàn)設備的自動化控制，還能分析設備的狀態(tài)，完成故障診斷和報警管理等功能。并且，由于PLC 支持通信接口和網(wǎng)絡連接，可以與其他系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換和共享，并且可以進行遠程控制，能滿足整個礦山機電控制系統(tǒng)的智能化和集成化的需求。

3 PLC 技術對傳統(tǒng)礦山機電設備的改造思路

在傳統(tǒng)礦山機電設備中使用PLC 技術時，需要進行礦山機電設備的改造，確保PLC 能夠集成到礦山機電設備中。首先，需要使用科學的方法進行替換，例如，根據(jù)需要保留原本的控制方法，將其轉換為備用控制方法，方便進行新舊控制模式的轉換。引用PLC 技術時，也需要加強對有關傳感器設備的應用，強化對各種數(shù)據(jù)的采集，方便進行數(shù)據(jù)的分析，更準確地進行設備的控制。同時，也需要加強人員培訓，強化對各類新技術的學習，滿足PLC 的應用需求。

4 PLC 技術在礦山機電系統(tǒng)中的應用

4.1 在礦山機電系統(tǒng)提升機中的應用

通過使用PLC 技術，能夠精確調節(jié)提升機系統(tǒng)的工作速度，保證提升系統(tǒng)的效率。傳統(tǒng)機電提升機的工作速度一般在2 ～3m/s，功率在20kW 左右，導致設備會消耗大量電量，而且容易出現(xiàn)故障。使用PLC 技術后，需要在提升機中加入重力傳感器，對重力的情況進行實時監(jiān)控，并根據(jù)預設的邏輯和參數(shù)，監(jiān)測和控制提升機的運行狀態(tài)。在傳感器、編碼器等設備的聯(lián)動下，PLC可以實時獲取提升機的位置、速度、負載等信息，選擇預設的控制策略自動調節(jié)提升機的起停、速度和方向，能降低能耗并提升運行的穩(wěn)定性。例如，在提起重物小于1t 時，根據(jù)重力感應器的數(shù)據(jù)，PLC 會控制系統(tǒng)適當提升速度；如果重量較高，超過了檢測范圍，也能根據(jù)需求適當調整提升功率。

運行過程中，PLC 也能確保設提升設備的穩(wěn)定性，分析電流、溫度、振動等信號，以實現(xiàn)對設備狀態(tài)的實時監(jiān)測和故障診斷。如果監(jiān)測到異常，PLC 系統(tǒng)可以及時發(fā)出警報或采取相應的措施，以避免故障的擴大或損壞設備。同時，通過設置安全門、緊急停止按鈕等安全裝置的聯(lián)動，在提升機出現(xiàn)緊急狀況時，PLC 系統(tǒng)能夠迅速停止提升機的運行，保護工作人員和設備的安全。

4.2 在運膠帶機中的應用

礦山開采生產(chǎn)中的膠帶機是重要的運輸設備，也是PLC 技術應用最廣泛的方向，利用PLC 技術可以將膠帶機轉換為KZP 盤式可控裝置，滿足膠帶機自動化狀態(tài)下的運行需求。改造過程中，主要對電源控制、制動部件、液壓站3 個部分進行改造，PLC 能夠獲得輸送帶上的速度傳感器參數(shù)，并根據(jù)預設的邏輯和參數(shù)，監(jiān)測和控制運膠帶機的運行狀態(tài)。如果速度傳感器檢測的膠帶運行數(shù)據(jù)操作了正常的數(shù)據(jù)范圍，PLC 控制模塊就能自動控制膠帶降低運行速度；如果發(fā)現(xiàn)膠帶參數(shù)小于正常的運行速度要求，就會提高膠帶機的運行速度。

4.3 基于PLC 的礦用輸送機控制系統(tǒng)

通過PLC 技術能夠建立集中控制，并加強設備之間的通訊，滿足礦山開采過程中的流量監(jiān)控、綜合運輸管理需求。因此，應該引入變頻設備方便對運輸系統(tǒng)的控制，不僅能提升PLC 控制的靈活性，也能降低系統(tǒng)的總體能耗。為了滿足不同驅動協(xié)同操控和同步運行的需要，可以采用傳動間通訊方式，常用PLC 為西門子S7-300系列，將其作為系統(tǒng)的控制核心，能夠對特定渠道的機電設備進行監(jiān)控，并進行輸送流量的檢測。

5 PLC 技術在礦山機電控制系統(tǒng)中應用的注意事項

雖然PLC 具有較高的穩(wěn)定性，并且具備溫度控制、抗干擾等功能，但是，在使用PLC 技術時，依然要考慮井下的特殊環(huán)境，做好控制工作。

5.1 溫度問題

使用PLC 控制系統(tǒng)時，要保證PLC 設備的運行溫度處于0 ～55℃，避免溫度超過合理范圍導致出現(xiàn)故障，或者由于溫度過高導致設備的壽命縮短。如果溫度在0℃以下，則會出現(xiàn)精度下降的問題，并導致系統(tǒng)出現(xiàn)癱瘓。因此，在使用PLC 控制設備時，需要將PLC 設置在合適的溫度環(huán)境中，如果溫度過高，可以使用風扇等措施進行降溫，對于可能出現(xiàn)的低溫情況，還要安置加熱器回溫。

5.2 濕度問題

PLC 屬于電子設備，因此，對周圍環(huán)境的濕度有一定的要求，一般要求PLC 控制系統(tǒng)工作環(huán)境的相對濕度在85%。并且，要避免PLC 在雨雪較多的位置運行，所以，可以專門使用密封措施將控制柜密封，對于處于潮濕環(huán)境的礦區(qū)，可以用保護膜覆蓋電路板。

5.3 振動和磁場問題

PLC 控制系統(tǒng)能夠承受一定的外部沖擊，但是要避免PLC 受到外部物理沖擊和振動，因此，設備需要遠離振動源。同時，也要屏蔽外界的電磁干擾，防止傳輸過程中出現(xiàn)錯誤?？梢栽赑LC 中內(nèi)置抗干擾模塊，并且合理使用算法進行數(shù)據(jù)方面的優(yōu)化。

6 結語

隨著采礦行業(yè)競爭的激烈程度不斷增加，以及市場對礦山開發(fā)需求的不斷提升，必須引入PLC 技術加強對機電設備的控制，滿足對機電系統(tǒng)功能、效率、安全等方面的需求，提升礦山開發(fā)的總體水平。實際應用中，應該選擇合理的方法應用PLC 技術，科學配置PLC 模塊，并加強對傳感器等技術的應用，解決礦山開發(fā)中存在的自動化水平問題，深化礦山的開采工作，滿足當下對礦山發(fā)展的需求。