PLC在煤礦電氣自動化過程中的應(yīng)用探討

王海民

摘 要：在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展下，自動化技術(shù)與各個行業(yè)領(lǐng)域生產(chǎn)實踐的融合關(guān)系更為密切，對于煤礦生產(chǎn)而言，自動化技術(shù)的應(yīng)用有助于提高生產(chǎn)效率與安全性水平。文章重點探討PLC技術(shù)在煤礦電氣自動化過程中的應(yīng)用，望引起業(yè)內(nèi)人士的重視。

關(guān)鍵詞：PLC；煤礦；電氣自動化

在促進(jìn)煤礦開采、生產(chǎn)與自動化技術(shù)的融合過程中，其中，以對PLC技術(shù)的應(yīng)用最為關(guān)鍵。文章圍繞PLC在煤礦電氣自動化控制中的應(yīng)用這一中心問題展開分析與探討。

1 PLC在煤礦井下排水系統(tǒng)中的應(yīng)用

煤礦井下排水設(shè)備的運(yùn)行直接與整個工作面的安全生產(chǎn)密切相關(guān)，同時井下排水設(shè)備也是煤炭生產(chǎn)中能耗最為集中的設(shè)備。傳統(tǒng)意義上的排水系統(tǒng)自動化水平低，缺乏應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制，無法與工作面安全生產(chǎn)的需求相契合。為此，相關(guān)研究中開始提出通過應(yīng)用PLC技術(shù)的方式，結(jié)合變頻控制技術(shù)，實現(xiàn)礦井工作面排水的自動化。

針對當(dāng)前煤礦生產(chǎn)實踐中常見的一水平、二水平組成的井下排水系統(tǒng)而言，通常建議在二水平區(qū)域設(shè)置主排水泵房，滿足該水平面的排水需求。工作面涌水通過軌道、皮帶下山水溝混合至水倉內(nèi)部，水泵引導(dǎo)礦井水實現(xiàn)排放，一水平區(qū)域進(jìn)行排水，提升至工作面循環(huán)做生活用水或工作用水。

根據(jù)這一思路，在引入PLC技術(shù)的背景之下，所形成的整個排水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示（見圖1）。

圖1 排水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)合圖1，排水控制系統(tǒng)當(dāng)中，監(jiān)測區(qū)域?qū)崿F(xiàn)對排水系統(tǒng)水倉液位參數(shù)、流量參數(shù)的檢測與控制，同時還可獲取一水平區(qū)、二水平區(qū)相應(yīng)的水泵狀態(tài)參數(shù)，以上參數(shù)經(jīng)過集中處理后傳輸至PLC控制器當(dāng)中，實現(xiàn)對整個排水系統(tǒng)的全面控制。在此基礎(chǔ)之上，借助于井上控制室PLC控制柜實現(xiàn)與地面上位機(jī)的交互式通信，滿足監(jiān)控的遠(yuǎn)程性需求。

通過對PLC技術(shù)的應(yīng)用，使得整個系統(tǒng)能夠通過三種不同的控制方式，與排水系統(tǒng)現(xiàn)場不同的運(yùn)行工況相契合，確保控制質(zhì)量：第一類控制模式為現(xiàn)場手動控制或半自動控制：本控制模式下，以外部電路為主體進(jìn)行控制，主要是在井下自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行故障時，現(xiàn)場操作人員及時開啟水泵，或根據(jù)實際情況選擇水泵開啟的臺數(shù)，并由PLC實現(xiàn)對水泵啟動、運(yùn)行的自動化控制。第二類控制模式為自動控制，即水泵可在PLC所采集水位數(shù)據(jù)的作用下完成PID調(diào)速，實現(xiàn)水泵投入情況的決策，確保排水系統(tǒng)處于恒水位工作狀態(tài)；第三類控制模式為遠(yuǎn)程控制，即在PLC支持下，顯示系統(tǒng)相關(guān)運(yùn)行參數(shù)，并通過遠(yuǎn)程讀寫的方式設(shè)置對應(yīng)的換泵、PID參數(shù)，保障控制效果。

2 PLC在煤礦通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

在整個礦井作業(yè)過程當(dāng)中，通風(fēng)機(jī)需要及時對井下開采工作面產(chǎn)生的各種惡性氣體進(jìn)行抽取，同時灌入工作面以上新鮮空氣，對于改善井下工作面環(huán)境，確保工作面作業(yè)人員人身安全意義重大。在當(dāng)前，PLC支持下的通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)受到信號引入眾多的因素影響，可能在故障作用下致使單個PLC出現(xiàn)死機(jī)、停運(yùn)的問題，產(chǎn)生不可逆的負(fù)面影響。為此，需要在PLC技術(shù)支持下，通過軟冗余策略，對通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行合理改善。建議如下：

在當(dāng)前技術(shù)條件支持下，綜合工業(yè)以太網(wǎng)模塊、PLC自動控制系統(tǒng)模塊、以及上位機(jī)組態(tài)軟件模塊的應(yīng)用，構(gòu)建通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示（見圖2）。

圖2 通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)合圖2，本控制系統(tǒng)可實現(xiàn)對井下工作面2*通風(fēng)機(jī)+4*風(fēng)門的自動控制。通過對PLC技術(shù)的引入可實現(xiàn)的優(yōu)勢是：系統(tǒng)采取一主一備的基本運(yùn)行模式，可支持在故障狀態(tài)下主用、備用系統(tǒng)的靈活切換。同時，還可通過倒機(jī)運(yùn)行的方式，支持對工作面瓦斯?jié)舛鹊莫?dú)立控制，平穩(wěn)過渡風(fēng)量，提高控制動作響應(yīng)可靠性水平。

與此同時，改進(jìn)的重點還體現(xiàn)在PLC軟冗余技術(shù)方面。在該系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)的情況下，如下圖（見圖3）所示的A#、B#PLC控制系統(tǒng)分別處于獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)，此時整個通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是依賴于主站PLC實現(xiàn)控制的，除備用站需要完成的非冗余程序以外，其他相關(guān)冗余程序均交由主站PLC完成。若指定圖3中A#為主站，B#為備站，兩者實現(xiàn)對控制信息的交互。A#面向B#發(fā)送詢問信息，B#將狀態(tài)信息復(fù)制至A#，A#對接收信息進(jìn)行分析，并實現(xiàn)對冗余備份數(shù)據(jù)的復(fù)制。

圖3 PLC軟冗余工作原理示意圖

3 PLC在煤礦膠帶機(jī)集中控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

井上膠帶機(jī)集中控制系統(tǒng)同樣是煤礦電氣自動化系統(tǒng)中的重要組成部分之一。本系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量直接與工作面裝卸工作質(zhì)量相關(guān)。常見的井上膠帶機(jī)集中控制系統(tǒng)組成部分包括兩個方面：其一為篩分車間系統(tǒng)，其二為儲煤與裝車操作系統(tǒng)。從集中控制系統(tǒng)設(shè)計的角度上來說，要求系統(tǒng)可支持包括集中式、就地式在內(nèi)的兩種控制模式。可根據(jù)現(xiàn)場操作人員的實際需求，結(jié)合工作面運(yùn)行工況，靈活選取控制模式。同時，在集中控制出現(xiàn)運(yùn)行故障的情況下，本地控制系統(tǒng)可自動、及時進(jìn)行切換，確保工作面皮帶設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定，保障控制功能的有效實現(xiàn)。

按照這一基本思路，在將PLC技術(shù)引入煤礦膠帶機(jī)集中控制系統(tǒng)的過程當(dāng)中，整個系統(tǒng)主要可劃分為兩個模塊，模塊一為集中控制管理層，模塊二為就地控制管理層。其中，前者主要由2*上位機(jī)+1*交換機(jī)構(gòu)成。其中，2臺上位機(jī)相互保持冗余對應(yīng)關(guān)系，支持與工作面現(xiàn)場電氣設(shè)備的連接，確保監(jiān)督控制的可靠。同時，對于后者而言，主要由1*交換機(jī)+1*膠帶保護(hù)+1*PLC構(gòu)成?？紤]到在工作面的正常運(yùn)行過程當(dāng)中，篩分車間系統(tǒng)與儲煤裝車系統(tǒng)之間呈現(xiàn)出閉鎖性關(guān)系，故而兩者可以構(gòu)成一個DP形態(tài)的操作網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示（見圖4）。

如圖4所示，PLC技術(shù)作用之下，在組網(wǎng)過程當(dāng)中，將篩分車間系統(tǒng)設(shè)置主站，將儲煤裝車系統(tǒng)設(shè)置為備戰(zhàn)，同時可在PLC控制柜當(dāng)中增設(shè)以太網(wǎng)控制模塊，交換機(jī)與工作面現(xiàn)場設(shè)備在上位機(jī)的支持下實現(xiàn)交互式連接，確保集中控制功能的可靠實現(xiàn)。

4 結(jié)束語

本文分別從煤礦井下排水系統(tǒng)、煤礦通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、煤礦膠帶機(jī)集中控制系統(tǒng)這三個方面入手，在系統(tǒng)自動化運(yùn)行控制中實現(xiàn)了對PLC技術(shù)的應(yīng)用，論證了PLC在應(yīng)用于煤礦電氣自動化過程中的優(yōu)勢，值得各方人員進(jìn)一步加大對該問題的研究，推動PLC技術(shù)在煤礦生產(chǎn)領(lǐng)域中的全面發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]劉麗.煤礦電氣自動化控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計[J].煤炭技術(shù)，2013，32（8）：93-95.

[2]謝青海，黃亮.基于PLC的煤礦帶式輸送機(jī)的電氣節(jié)能技術(shù)研究[J].煤炭技術(shù)，2012，31（1）：40-42.

[3]鄒國清.電氣與PLC控制技術(shù)在煤礦安裝的應(yīng)用[C].//第21屆全國煤礦自動化與信息化學(xué)術(shù)會議暨第3屆中國煤礦信息化與自動化高層論壇論文集.2011：462-464.