PLC技术在矿山机电控制中应用研究

摘要：PLC（可编程序控制器）是一种重要的自动化控制设备，其采用模块化组合结构、使系统组合十分灵便，并且具有抗干扰能力强、可靠性高，编程语言简易、普及、方便，可以在线进行修改、柔性好等特点。近年来，随着煤矿现代化的发展，矿山机电设备的自动化程度要求越来越高，PLC越来越多的代替传统的继电器控制，并取得了很好的经济效益。简要介绍了PLC技术在矿山机电控制中的应用。

关键词：矿山设备改造；机电控制；PLC

中图分类号:TM

文献标识码:A

文章编号：1672-3198（2011）06-0246-02

1 PLC的组成

PLC基本组成包括中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出接口(包括输入接口、输出接口、外部设备接口、扩展接口等)、外部设备编程器及电源模块组成。PLC内部各组成单元之间通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接，外部则根据实际控制对象配置相应设备与控制装置构成PLC控制系统。从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。

2 PLC的优越性

PLC（可编程控制器）是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC因其采用模块化组合结构，使系统组合十分灵便，并且具有抗干扰能力强、可靠性强，编程语言简易、普及和编程方便，可以在线进行修改、柔性好等特点，在工业现场已被广泛地应用于各行各业的开关逻辑控制、机械设备的数字控制、机器人和自动装置的控制、闭环过程控制以及多级自动控制系统。近几年来，随着煤矿现代化的发展，矿山机电设备的自动化程度要求越来越高，PLC越来越多的代替传统的继电器控制，并取得了很好的经济效益。

3 PLC技术在矿山机电控制中的应用例举

3.1 采用PLC改造矿山老旧提升机

在保留提升机机械部分和直流主电机的基础上，采用大功率晶闸管变流器和可编程控制器来改造老旧提升机的原继电器控制，是目前对矿山机械改造的一条可行之路。

实施步骤如下：

(1)整体搬移原有操作台，为新操作台安装创造条件，提升机改造期间临时在搬移到一边的原操作台操作，仍以老系统运行。

(2)在电枢回路上安装新旧系统转换刀闸，以便新老系统转换。提升机制动系统油泵控制采取多路航空插头进行新老系统切换，老系统可在新系统调试期间与之并存，互为备用。以后有必要的话可永久保留。

(3)在安装中严格控制质量，指定将来参与维护的技术熟练人员进行安装，通过全程参与为调试完成后转入正常运行和维护创造条件。

(4)为缩短新系统调试时间，对井筒位置开关、行程、各个机械制动系统的状态等进行电控监测，在传感器安装完后进行在线送电测试，校准每个测量参数，保证与提升系统实际相对应。老系统提升时逐步在计算机中检验每一部分持续的运行过程，保证提升系统能一次性无误地实现切换。

(5)完成装卸载系统在线调试后利用老系统提升，但提升机装卸载站由新系统中可编程控制器系统控制。采用新老系统混合控制的方式，使装卸载及提升信号系统控制能够一次性投入成功，减少了新系统全面调试工作量。

(6)在传动回路中，电流闭环和速度、位置闭环是最关键的部分，其正确与否直接关系和影响到闭环系统的稳定性。利用每天两个小时的日检修时间对这些环节进行编码器输出试验和电枢回路电流环控制的动态试验，确定系统的动态响应各参数，为全系统空载和重载测试运行创造条件。

(7)利用全矿井机电设备停产两天的检修时间直接一次性进行全系统空载试运行，经过数次提速后达到设计运行速度。系统运行平稳和准确后再进行装煤重载运行试验，最后实现全载全自动方式的提升。

3.2 KZP型盘式可控制动装置在下运胶带机中的应用

KZP系列盘式可控制动装置是机电液一体化设备，由制动装置、液压站以及配套电控系统组成。盘式可控制动装置的制动力矩是由闸瓦与制动盘摩擦而产生的，调节闸瓦对制动盘的正压力即可改变制动力，而制动器的正压力又与液压系统的控制油压成比例。机械设备正常工作时油压达到最大值，此时正压力为0，闸瓦与制动盘之间留有1～1.5mm间隙，即制动闸处于松闸状态。机械设备需要制动时，电液控制系统就会根据工况发出控制的指令，使制动装置按照预定的程序自动减小油压以达到制动的要求。盘式可控制动装置在环境温度为40℃时每小时制动10次，盘面的最高温度远小于150℃，而且无火花产生。与电控装置相互配合，可以使大型机械设备的停车减速度保持在0.05～0.3m/s，在系统突然断电时仍能确保大型机械设备（尤其是带式输送机）平稳地减速停车。其液压控制系统采用双回路结构，两个回路完全对称，可以互为备用。一般依靠蓄能器工作的制动闸就可以实现对下运带式胶带输送机的软制动。

KZP系列盘式可控制动装置的主要特点体现在“可控”上。通过主驱动电动机的输出轴以及胶带输送机上的速度传感器来读取电动机转速及胶带速度。重载时下运胶带有时会出现“飞车”的现象，这个时候就要由可编程控制器监测速度传感器的数据。当得到的速度大于正常运行设定值时，由可编程控制器减小制动闸电液比例阀的供电电流，从而减小制动系统的油压，制动系统施闸使得制动闸瓦贴近制动闸盘为胶带减速。当胶带速度降至正常值以下时，可编程控制器再按照预先编制的程序增大制动闸电液比例阀的电流，使得闸瓦打开，实现了制动闸的动态可控运行，保障了胶带输送机的正常运转。

3.3 井下风门实现自动启闭

现在井下使用的风门大多是由人工操作的。由于负压大，开门的操作力相当大，不仅开启、关闭十分不便，而且极其容易损坏风门。通过井下风门的特殊结构，由远红外传感器对来往的车辆进行动态检测，同时利用可编程控制器实现井下风门的自动开启和关闭，保障了车辆和行人的安全，同时节省人力。这项技术的关键在于先开窗口然后开门。风门两侧的空气有着一定的压差，由于风门的面积很大，一般风门的开启压力为30～50kg。但是当风门已经有了比较小的开启时，这个压力就会锐减到5kg以下。为了减小开启的压力，在风门上设置一个窗口，因为窗口的面积比较小，其开启压力只有10kg左右，窗口打开以后，风门内外两侧的压差立刻大为减小，有效地减小了开启机构的强度和汽缸的操作力。

此项技术工作原理如下：当风门需要开启时，控制信号传送给了二位五通双控电磁阀，电磁阀打到供气位置，汽缸的活塞带动行走部分向外运动，随即打开设在风门上的小窗。当小窗开启到与风门夹角成30°时，小窗就会被固定销挡住，无法继续打开，而行走支点继续向前移动，从而带动风门开启。由于风门上的小窗已经打开，风门内外的压差基本消失，所以风门很容易就可以开启。当风门开启角达到90°时自动停止动作，车辆和行人可以通行。当风门需要关闭时，控制信号传输到二位五通双控电磁阀使其换向，控制压气进入汽缸的另一端，汽缸的活塞带动行走部分向回移动，先是小窗被关严，然后带动风门转动，直到风门完全被关严为止。

3.4 空气压缩机群组的微机监控系统

以可编程控制器为核心的空气压缩机群组微机监控系统，彻底解决了以单片机或者工业控制机为核心的空气压缩机微机监控系统数据测试不准以及整机抗干扰能力差的问题，完善了空气压缩机在运转过程中的安全保护。

空气压缩机是煤矿生产的重要动力设备之一。国内目前运行的空气压缩机大都是采用一般的继电器控制，其监控与保护的技术水平低下，不能够达到《煤矿安全规程》对空气压缩机运行的规定要求，因而故障率高、维护量大。虽然有些矿井采用了空气压缩机自动控制以及微机控制技术，但由于所选机型或采取的技术措施不能适应煤矿空气压缩机房的特殊生产环境，安装不久就不能正常使用。新研制的空气压缩机群组微机监控系统由温度变送器、压力变送器、断水装置实时采集现场信号，送到可编程控制器各相关模块，由CPU进行处理，经传感器专用数显仪表实时监测、显示设备的工作状态与参数值，具有温度监测与保护、压力监测与保护、断水指示与保护、电参数监测与保护、空气压缩机群组集中控制等功能。

3.5 PLC在选煤厂集控系统中的应用

兖州矿业（集团）公司鲍店煤矿选煤厂的控制系统采用底层可编程控制器系统与上位机监控相结合的模式，以数据量逻辑控制为主，配以少量工艺过程参数的模拟量检测监视，用于实现工艺流程系统设备的集中启、停车控制和运行过程中的连锁控制，并且具有工艺过程参数的闭环控制系统，达到国内同行业中的先进水平。

该厂原先的集控系统采用SIMATIC TI545、配煤系统采用SIMATIC S70-300。集控系统的整体框架分为原煤重介选矸系统、筛分系统、储装运系统、跳汰(水洗)系统、捞坑系统、沉降离心脱水系统、除木杂系统及压滤车间监控系统。集控系统有三个操作站：调度室操作洗煤系统的跳汰(水洗)系统；捞坑系统和沉降离心脱水系统；原煤集控室操作原煤系统的重介选矸系统和筛分系统；储运集控室操作储装运系统；压滤车间设备仅在模拟盘上显示。三个集控室有各自的可编程控制器主机，互不通讯，版本不一。改造后的新集控系统将洗煤、压滤与储运系统合为一台可编程控制器主机，原煤车间单独一台可编程控制器主机；两台主机不直接通讯，系统通过上位机通讯互访。

控制方案选用施耐德140系列PLC系统，主机选用CPU11303中央处理单元，具有512K字节RAM，MODBUS、MODBUS PLUS接口。与现场设备状态检测及控制电路相连的部分采用MODBUS PLUS工业总线结构的分布式控制系统，在厂调度室和原煤车间分别设置独立的可编程控制器主机站，在主厂房洗煤车间9PD、10PD和5PD-1配电室、原煤车间3PD、重介二楼配电室、重介三楼配电室、筛分车间配电室、原煤1#变电所、储运集控5PD-1、原煤2#变电所、块煤仓下、原煤仓下和压滤车间配电室设置分布站，除了原煤车间3PD、重介二楼配电室、重介三楼配电室、筛分车间配电室和原煤1#变电所分布站由原煤系统可编程控制器控制外，其余分布站均由厂调度室可编程控制器控制。

4 结束语

通过以上例举，说明可编程控制器已经渗透在各个领域的矿山设备机电控制系统中，使用PLC改造矿山机电设备有很大的市场，也有十分重要的意义。

参考文献

［1］张建国．PLC在机电设备故障诊断中的应用［J］．锦州师范学院学报(自然科学版)，2003，（4）：20-22

［2］夏克桥．浅谈PLC技术在矿山机电控制中的应用［J］．中国新技术新产品，2009，（4）：91