礦山提升機自動化控制趨勢

李巖松

（南京梅山冶金發(fā)展有限公司，江蘇南京 210041）

0 引言

礦山提升機在采礦行業(yè)中承擔著提升礦物、運輸人員和物量上下等方面的任務，是礦山生產(chǎn)作業(yè)中十分重要的生產(chǎn)設備。提升機電力拖動系統(tǒng)性能的好壞如何，將直接關系到采礦企業(yè)財產(chǎn)安全和工作人員的人身安全。近些年來，隨著自動化控制技術的發(fā)展，礦山提升機的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)已經(jīng)逐漸升級改造成自動化的控制系統(tǒng)。相對于傳統(tǒng)的礦山提升機來講，自動化控制技術有著更強的穩(wěn)定性、簡單易操作，有力的提升了安全性能和節(jié)能水平，極大地提高了鐵礦企業(yè)的經(jīng)濟效益。

1 自動化技術的概述

1.1 自動化控制的必要性

隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，對各類礦產(chǎn)資源和質(zhì)量有了更多的需求，使得礦企不得不提高生產(chǎn)效率，擴大采礦規(guī)模以滿足日漸增長的采礦需求。對于礦山機電控制來講，對礦山提升機進行自動化技術改造和升級，能夠極大地提高鐵礦的采礦量，從而提升采礦的整體效率。自動化控制技術能夠?qū)ΦV山提升機的控制操作進行優(yōu)化配置，實現(xiàn)操作流程的整體簡化，這不但能夠保證采礦體系的穩(wěn)定運轉，還能減少運作時需要的人工數(shù)量，從而起到節(jié)省生產(chǎn)成本的效果。同時，由于運作體系中人工參與的比率降低，能夠最大程度的降低操作失誤問題出現(xiàn)的概率，提高生產(chǎn)安全水平。即便是出現(xiàn)了生產(chǎn)事故，不但能減少人員傷害情況的出現(xiàn)，還有利于工作人員的疏散和搜救。

1.2 PLC 技術

PLC 技術是礦山自動化技術中應用最多的技術。在PLC 自動化控制過程中，要對礦山提升機的一些關鍵數(shù)據(jù)以及諸多影響因素進行統(tǒng)計分析，然后根據(jù)數(shù)據(jù)分析后的結果優(yōu)化控制體系。受頻率因素的干擾，礦山提升機在加減速率方面存在一定差異，這就需要通過功率單元把形成的再生能力體現(xiàn)出來。為了進一步提高PLC 自動化控制的時效性，可以把礦山提升機自動化系統(tǒng)運行的刷新時間設置為0.5 s，實際操作流程見圖1。

圖中R、S、T 分別對應順序為F、U、V 的A、B、C 三相。先把數(shù)據(jù)信息存放在寄存器中，然后再把數(shù)據(jù)轉化成操作流程，提高礦山提升機的提升速率。為了提高生產(chǎn)安全水平，當絞車超出限定速度時，PCL 自動化控制系統(tǒng)就會立即報警，這是因為控制系統(tǒng)對設備的運轉速度設置了安全方位。一旦運轉速度超出預設安全范圍，控制系統(tǒng)就會發(fā)出報警指令，從而提醒工作人員注意生產(chǎn)安全。

圖1 單元控制流程

2 礦山電力拖動系統(tǒng)的發(fā)展狀況

傳統(tǒng)的礦山提升機控制系統(tǒng)存在著諸多的問題，在一定程度上影響了鐵礦企業(yè)的生產(chǎn)安全和生產(chǎn)效率。例如，調(diào)節(jié)提升速度的效果不好，不但做不到精確控制，還會損耗較多的能源。運行安全系數(shù)低，維護保養(yǎng)的工作量較多，使得整體運轉的成本高昂。所以，有必要對礦山提升機進行自動化控制改造。

20 世紀90 年代前，國內(nèi)的礦石運輸還是用這一較為傳統(tǒng)的控制方法。而在20 世紀70 年代占據(jù)國內(nèi)主流的運輸技術還是被稱為P+D 的直流拖動技術等。這些拖動技術有著能耗高、系統(tǒng)運行效率底下、設備運行占用空間較大、工作噪聲大、系統(tǒng)養(yǎng)護成本高等諸多不足。近些年來，全數(shù)字的電動拖動控制技術已經(jīng)在西方發(fā)達國家得到全面應用，礦山提升機的操作實現(xiàn)了全自動化控制，這不但增強了礦企生產(chǎn)的安全性，還提高了礦山的產(chǎn)能。在鐵礦石的運輸過程中，電力拖動系統(tǒng)不但承擔著礦石的運輸工作，并在提高礦山產(chǎn)能和采礦工作效率方面有著積極的意義，在鐵礦石開采中屬于不可缺少的大型生產(chǎn)設備。因此，如何合理有效地使用電力拖動系統(tǒng)，一直是礦企所關注的話題。

當前，連續(xù)式的提升機也被業(yè)界研發(fā)出來，這種提升機有著高達2 t 的承載范圍。通過連續(xù)式提升機的使用，不但沒有影響到生產(chǎn)流程的節(jié)奏，還提高了工作的效率，降低了提升設備的占地空間。同時，把礦山提升機和出入口的設備結合在一起后，不但實現(xiàn)了鐵礦石運輸?shù)娜詣踊\行，還減少了因人工誤操作而出現(xiàn)的工傷事故問題。另外，連續(xù)式提升機的維修保養(yǎng)費用較低，安全性能較高，能夠極大地降低鐵礦石運輸額成本。但由于其設計上的局限性，只能使用單項運動方式，不具備往復運輸物料的能力，并且只能運輸尺寸有效的件貨，相關設計人員要對其做進一步的改進和完善，才能充分發(fā)揮其優(yōu)勢。

3 主提升機自動化系統(tǒng)結構分析研究

3.1 主回路

從工作原理的角度來講，電機是通過兩臺整流變壓器在電樞回路過程中進行運行供電，使用可逆型的連接法把這兩臺整流變壓器的兩端分別連成X 型和Y 型的接線電機。使用這種可逆型的連接方法可以組成12 組電路運行模式。為了進一步提高作業(yè)效率，可在全自動化控制系統(tǒng)中使用整流變壓器來為每一臺電動機供電，這樣不但可以大幅度減少電網(wǎng)的影響權重，還能提高生產(chǎn)作業(yè)的效率。每臺整流變壓器搭配一臺電動機實現(xiàn)合理的供電運行，從而構成全數(shù)字自動化的磁場系統(tǒng)。

3.2 全數(shù)字調(diào)節(jié)部分分析

按照礦山提升機的實際運行狀況以及具體需求，通過全數(shù)字調(diào)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)合理恰當?shù)剡x擇，例如，某些傳動系統(tǒng)需要適配特定的全數(shù)字調(diào)控系統(tǒng)，而且必須是特點生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品。該廠家的調(diào)速系統(tǒng)在實際運行時，由兩個功效較高的處理器對控制系統(tǒng)進行具體的調(diào)節(jié)。對軟件調(diào)節(jié)功能而言，調(diào)節(jié)功能是通過對控制程序模塊中的參數(shù)進行調(diào)節(jié)來實現(xiàn)的，從而對礦山提升機所在的整個系統(tǒng)運行狀況進行較為準確地控制。全數(shù)字調(diào)節(jié)系統(tǒng)的微處理器性能較為強大，通過微處理器可以實現(xiàn)所有的調(diào)節(jié)、控制和監(jiān)控工作。而根據(jù)系統(tǒng)的結構可以組建控制軟件。通過這種運行和組建的模式，控制系統(tǒng)平臺內(nèi)的電流、各種調(diào)節(jié)器等都能得到自動的優(yōu)化配置，從而實現(xiàn)對整體系統(tǒng)的優(yōu)化配置，形成對礦山提升機的最優(yōu)控制。

在全數(shù)字化調(diào)速的系統(tǒng)中，允許存在電網(wǎng)電壓波動。通常來講，普通系統(tǒng)要求供電電壓要控制在一定的額度之內(nèi)，如果自身電壓發(fā)生波動，就會對系統(tǒng)本身的工況造成不利影響，會導致系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)參數(shù)出現(xiàn)波動，甚至會造成系統(tǒng)自身損毀。而全數(shù)字調(diào)速的系統(tǒng)中，允許系統(tǒng)本身的電壓額度出現(xiàn)一定范圍內(nèi)的波動。波動的范圍通常是全數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)本身電壓額度的10%以內(nèi)，這樣就可以減少因電壓不穩(wěn)定而對系統(tǒng)所造成的損害，有利于系統(tǒng)運行的安全和穩(wěn)定。另外，全數(shù)字調(diào)速的系統(tǒng)本身具備RS485 和RS232 兩種通信接口，并且能夠按照通信線路規(guī)格型號的不同來選用相應的結構用于信息的交流，從而提高系統(tǒng)本身通信能力。

3.3 操作臺以及監(jiān)視器相關分析

從主提升機自動化系統(tǒng)的操作臺主要由左操作臺、右操作臺和指示操作臺組成。這三個操作臺在功能上有所不同，其中制動手柄、緊急按鈕、快開控制按鈕位于左操作臺上。主令操作手柄、工作方式選擇開關等按鈕位于右操作臺上。與左、右操作臺不同的是，指示操作臺主要由監(jiān)視器和各種信號器、儀表所組成。通過監(jiān)視器的人機對話功能，可以完美實現(xiàn)對整個提升機系統(tǒng)的監(jiān)控，還能將提升機工作時的各種操作和運行的數(shù)據(jù)狀態(tài)實時顯現(xiàn)出來。操作人員可以通過監(jiān)測器來了解提升機的運行狀況和運行方式等。另外，當?shù)V山提升機出現(xiàn)運行故障時，操作人員經(jīng)由監(jiān)視器可以初步了解故障的原因，確認故障的類型、故障發(fā)生的具體位置和時間，從而能夠安排維修人員對故障點做及時搶修維護，進而縮短故障排查的時間，提高作業(yè)的效率。

4 PLC 控制器的強大功能

PLC 控制器是一種通過微處理器來對設備運行進行控制的數(shù)字化技術。通過PLC 的控制技術，能夠?qū)崿F(xiàn)對許多設備的自動化控制，運用設備內(nèi)部的微處理器的精準控制功能，實現(xiàn)控制指令的自動接收和自動執(zhí)行，減少因人為操作不當問題的出現(xiàn)，減少運行故障的產(chǎn)生，全面提高設備操作的便利性和精準性。由于具備強大的自動化控制功能和操作的便捷性，PLC 控制器已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應用，有力地促進了國內(nèi)工業(yè)自動化發(fā)展的進程。由此可見，PLC 控制器在礦山提升機自動化控制發(fā)展中也起到重要的作用，這對提高礦山的產(chǎn)能和效率有著積極的意義。通過新型的PLC 控制器來全面替代傳統(tǒng)的繼電控制器，提升礦山提升機的自動化程度，這在采礦行業(yè)中已經(jīng)成為一種主要的發(fā)展趨勢。

在礦山提升機設備里內(nèi)置PLC 控制器，將其整合到礦山提升機的操作系統(tǒng)，可以全面提高提升機的安全性和穩(wěn)定性。在采礦過程中，通過對PLC 控制器控制元件的操控，操作人員能夠?qū)ΦV山提升機設備的運轉速度做精細化調(diào)節(jié)，使其能夠以一種精準高效的狀態(tài)運行，減少因人為操作失誤而導致的設備問題。通過PLC 控制器的應用，操作人員利用顯示屏就能夠觀察到礦山提升機工作的實時動態(tài)，了解到礦山提升機的工況和運行參數(shù)變化。當提升機設備出現(xiàn)異常工況時，操作人員可以通過PLC 控制器迅速發(fā)現(xiàn)故障位置，使得故障能夠被及時、迅速地排除，避免因停機而造成的經(jīng)濟損失，從而促進礦企的經(jīng)濟效益的提高。

5 自動化礦山提升機中的物聯(lián)網(wǎng)應用

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，礦石開采行業(yè)也越來越多地使用這一技術。通過將物聯(lián)網(wǎng)傳感器置入到礦山提升機系統(tǒng)內(nèi)，操作人員可以使用編碼器自動檢測來探知點擊的實時運行速度、位置信息和動態(tài)變化視頻，并將這些數(shù)據(jù)信息同步更新到主控制臺設備。通過數(shù)據(jù)信號控制器元件，并行的數(shù)據(jù)信號可以被轉換成能夠遠距離傳輸?shù)拇托盘?，使得操作人員能做到即時管控礦山提升機的速度、位置等操作。數(shù)字矢量變頻技術有著精準度高、速度調(diào)節(jié)范圍廣等優(yōu)點，使得電機的四象限運行需求可以被充分滿足。而系統(tǒng)的優(yōu)化控制程序，能根據(jù)實際工況對控制模型做自動、最優(yōu)化處理，從而使設備高效、低耗、安全地運行。

6 結語

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，礦山提升機也在向著全自動化的趨勢邁進。通過變頻調(diào)速技術、自動化控制技術以及物聯(lián)網(wǎng)傳感技術等，有力保障了礦山提升機的穩(wěn)定性和安全性。而PLC 控制器由于有著人機交互、操作便捷、較強的兼容性以及后期養(yǎng)護方便等優(yōu)點，已成為提升機自動化控制的發(fā)展主流，為高功率、低能耗、高安全性的礦山提升機自動化控制系統(tǒng)的研發(fā)提供了技術支持。