可編程邏輯控制器在礦山提升系統(tǒng)中的應(yīng)用

徐偉豪

（山東煙臺鑫泰黃金礦業(yè)有限責任公司，山東 海陽 265147）

1 PLC技術(shù)的相關(guān)概念

可編程序控制器（英文簡稱PLC）是當前最為先進的一種工業(yè)控制裝置。它的構(gòu)成由主機、供電電源、輸入輸出端口、可編程器、擴展模塊和外部連接設(shè)備等幾個主要部分構(gòu)成。它集成了計算機和自動控制等先進技術(shù)，成功實現(xiàn)主命令、控制的功能以及每個水平控制臺之間的信息傳輸[1]。不僅如此，它還可以生成對提升機速度控制系統(tǒng)的完整數(shù)字指令，并同時可以監(jiān)控整個系統(tǒng)運行與循環(huán)。并且通過電子計算機和觸摸屏，利用相關(guān)軟件可以完美處理并自動反饋來自各個生產(chǎn)運行環(huán)節(jié)的信息（原理方式見圖1）。

圖1 PLC工作原理的簡要示意圖

現(xiàn)如今PLC已被廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)機械和生產(chǎn)過程的自動控制中，成為一種最快捷、最廣泛、最重要的工業(yè)生產(chǎn)自動控制裝置，與智能機器人、CAD/CAM并列為現(xiàn)代工業(yè)自動化三大支柱。

2 LC控制特點與優(yōu)勢

PLC采用的是微電子技術(shù)來實現(xiàn)各種控制功能，在現(xiàn)場的輸入信號作用下觸發(fā)預(yù)先輸入的程序并控制現(xiàn)場的執(zhí)行機構(gòu)以后，就能按照設(shè)定規(guī)律進行動作，能夠準確執(zhí)行順序邏輯控制、運動控制、定時控制、記數(shù)控制、步進控制、數(shù)據(jù)處理、模數(shù)數(shù)模轉(zhuǎn)換和通信及聯(lián)網(wǎng)，并與變頻器、直流調(diào)速裝置以及恒減速裝置等相關(guān)設(shè)施設(shè)備完美契合，結(jié)合成為一整套自動控制主體系統(tǒng)，安全高效的完成生產(chǎn)任務(wù)。

與傳統(tǒng)TDK電控系統(tǒng)相比，PLC具有如下特點與優(yōu)勢。

（1）PLC系統(tǒng)邏輯關(guān)系簡單，和TDK電控相比PLC系統(tǒng)用主機和軟件代替了原來的邏輯繼電器，可以減少部分元件及對元件的損耗，延長電氣設(shè)備使用壽命。并且還大大提高了設(shè)備安全性、可靠性，使設(shè)備故障率有所降低。

（2）PLC可以使用上位機、觸摸屏等設(shè)備進行顯示監(jiān)測，能夠及時發(fā)出報警、運行狀態(tài)反饋、參數(shù)設(shè)定的綜合診斷以及監(jiān)視信息并形成閉環(huán)控制，并能夠以直觀、清晰、連續(xù)的顯示在屏幕上，從而使使用人員立即予以確認并加以恢復(fù)調(diào)整，使整個系統(tǒng)智能化水平得到極大提高。

（3）PLC系統(tǒng)利用其微電子技術(shù)的優(yōu)勢，可以實現(xiàn)許多檢測、監(jiān)控及運行過程重要參數(shù)的記錄，并可以隨時查閱監(jiān)視，為設(shè)備故障原因及動態(tài)過程分析提供了依據(jù)，使維修工作更加簡單、準確、方便，可靠性得到有效提高。

（4）PLC系統(tǒng)同TDK系統(tǒng)相比具有更好的修改能力。當PLC出現(xiàn)硬件功能、軟件功能或者數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)出錯，導致使用人員判斷失誤進行了誤操作后，經(jīng)專業(yè)維修人員確認可以立即恢復(fù)并繼續(xù)操作，在保證安全前提下均不影響系統(tǒng)正常運行。而且對某些意外情況引起的故障，PLC系統(tǒng)具備恢復(fù)功能，降低設(shè)備自身缺陷。

（5）PLC系統(tǒng)具有人性化、簡單化。并且隨著國內(nèi)市場開放，許多國內(nèi)國外PLC廠家為打開中國市場，將PLC軟件和系統(tǒng)做成中文版，使得設(shè)備的運行參數(shù)、運行狀態(tài)、故障信息一目了然，滿足客戶需要。

（6）PLC控制系統(tǒng)成本隨著科技發(fā)展開始逐步降低，而且對各種變頻器、直流調(diào)速裝置、儀器儀表等兼容性越來越強，滿足各大中小企業(yè)用戶的要求，減小新建企業(yè)及老牌需改造企業(yè)的經(jīng)濟投入。

3 PLC控制在礦井提升系統(tǒng)中的應(yīng)用

近幾年來，黨中央和國家對礦山企業(yè)關(guān)注和投入越來越高，《安全生產(chǎn)法》、《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》等一系列法律條文的制定和修改更是說明國家對礦山企業(yè)未來發(fā)展方向有了新的要求，尤其是對提升系統(tǒng)的安全化、智能化要求也越來越嚴格。

而PLC因其自動化集成度高和體積方便等原因，成為新老礦山對提升系統(tǒng)安裝改造的首選。以使用PLC控制系統(tǒng)的礦井提升機自動化運行為例，當罐籠裝置位于井口或井底需要發(fā)車時，由信號發(fā)送人員通過信號控制裝置選擇目的地并解除鎖罐后，PLC就會接收到信號通信電路發(fā)出的開車信號，這時PLC控制系統(tǒng)就會根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的程序，對信號通信電路處理分析，開始進行提升機加速、均速、減速、停車，從而實現(xiàn)整個礦井提升機的自動加減速并確保整個礦井提升機能夠在自然機械特性的基礎(chǔ)上繼續(xù)穩(wěn)定運行。

同樣，整個PLC控制系統(tǒng)也可對礦井提升機行程和提升速度進行定量計算。將旋轉(zhuǎn)編碼器接入到PLC高速計數(shù)器脈沖輸入端口后，在礦井提升機在運行時旋轉(zhuǎn)編碼器會跟隨主電動機做定向擺動。PLC控制系統(tǒng)接受到此脈沖信號時，可以結(jié)合程序中預(yù)先輸入的加、減計數(shù)方式，對旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖進行計數(shù)計算，最終可以準確計算出在恒定間隔時間內(nèi)，提升機的提升行程和提升運行速度，并通過數(shù)顯屏、上位機、觸摸屏等設(shè)備顯示[2]。

值得一提的是，礦井運行系統(tǒng)因其復(fù)雜多變性，往往是由多個PLC組成一個大系統(tǒng)，跟據(jù)預(yù)設(shè)的程序不同其功能和作用也有所變化。這時我們就要考慮到整個提升機安全最關(guān)鍵的問題——“急停措施”。當拍下急停按鈕或出現(xiàn)達成急停條件時，PLC會根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定切除執(zhí)行機構(gòu)的電源，但這時PLC無法自主進行復(fù)位，需要故障排除處理完畢后，人為合閘送電后方能使PLC根據(jù)設(shè)定好程序進行工作。因為在礦山提升系統(tǒng)里為了有效保障礦井生產(chǎn)安全，必須將主令控制器、急停、液壓站啟動等關(guān)鍵命令除了通過PLC自身的網(wǎng)絡(luò)通信進行信息傳送以外，還需要通過I/O點做成的硬件聯(lián)鎖設(shè)備進行二次傳輸。

如果發(fā)生突然斷電，PLC系統(tǒng)的自我記憶的功能便產(chǎn)生了作用。將故障和問題處理完畢恢復(fù)供電后，PLC首先進行自身初始化，并對主程序進行下面幾個步驟的操作：恢復(fù)工作模式、讀取停電前設(shè)定值、啟動功能，然后完成自檢和呈現(xiàn)提升機停電前位置及狀態(tài)。當接收到開車指令時，PLC正常后恢復(fù)運行。并且在系統(tǒng)運行過程中，PLC不斷接收到來自外部控制所傳出的信號，隨時監(jiān)測數(shù)據(jù)信息對比。如果發(fā)現(xiàn)問題，PLC控制系統(tǒng)就會根據(jù)預(yù)設(shè)程序，對設(shè)備進行停機或減速處理，來確保斷電恢復(fù)后提升機位置、速度監(jiān)控、變頻器故障監(jiān)控等的有效運行，并且進行停車、關(guān)閘處理，確保提升機安全。

圖2 某煤礦混合式提升系統(tǒng)各部件

4 PLC控制系統(tǒng)改造案例

根據(jù)我國礦山生產(chǎn)需要，安裝和使用PLC控制系統(tǒng)并成功運用的企業(yè)越來越多。比如在山東某礦的混合式提升系統(tǒng)安裝，采用的是洛陽中信公司生產(chǎn)的JKMD-2.8×4（Ⅲ）e多繩摩擦式提升機，其中最大提升速度9.5m/s，最小提升速度0.1m/s。而提升機動力驅(qū)動電機則是上海電機廠生產(chǎn)的ZKTD215/47.5型直流電機，電樞電壓660V，功率700KW。而提升機電氣控制系統(tǒng)就是利用西門子公司S7-300系列的PLC，并且安裝后成功實現(xiàn)提升機自動、半自動、手動、檢修、回收等操作方式。其中提升系統(tǒng)中的安全保護則采用了硬件保護和軟件保護的雙安全回路，并采用監(jiān)控計算機對提升機全行程各重要參數(shù)進行監(jiān)控。

5 PLC控制技術(shù)在礦井提升中注意的問題和發(fā)展

當前，對PLC控制技術(shù)在礦井提升運用里還存在一些問題需要注意。

5.1 PLC的選取

目前，世界上PLC生產(chǎn)廠家琳瑯滿目，初步估計有200余家。其中比較著名的有歐美系西門子、AB、ABB、施耐德、Ge,日韓系三菱、歐姆龍，國產(chǎn)臺達、信捷等。所以在選擇時要根據(jù)礦山需要進行選擇。

如果是新建礦山，最好選擇集成功能性強、兼容功能性好、購買方便且網(wǎng)絡(luò)通信多樣的PLC（如西門子S7-1200、S7-1500等),這樣不僅滿足生產(chǎn)需求，而且兼容市面上多數(shù)通過以太網(wǎng)口通信的變頻器、觸摸屏，尤其是西門子博圖軟件（TIA PORTAL)更是將自家生產(chǎn)的上位機、觸摸屏、變頻器、運動PID控制整合到一起，這樣不僅操作者使用起來方便快捷，而且故障一目了然，修改設(shè)備參數(shù)簡單有效，減少以后改造成本。

如果是生產(chǎn)時間長且有一定規(guī)模的礦山需要改造時，就要根據(jù)現(xiàn)狀使用和自身提升系統(tǒng)匹配的PLC。如選擇的PLC是否同變頻器兼容、供電電源選擇交流220V或直流24V、需要的功能是否復(fù)雜、通過以太網(wǎng)通信還是MPI通信等都需要考慮進去，選擇合適的PLC。

不過雖然PLC功能強大，但是我們在系統(tǒng)安裝改造的時候，除了PLC系統(tǒng)配置的電腦、觸摸屏等進行監(jiān)視外，還要在操作臺、配電箱或設(shè)備上安裝配置不同顏色信號燈，這樣做可幫助使用人員確認設(shè)備及PLC運行工作狀態(tài)，防止因PLC出現(xiàn)意想不到的問題而帶來麻煩。

5.2 PLC自身接口的合理運用

一般來說，PLC都會帶有輸入輸出端口，功能強大的還集成模擬量輸入輸出模塊，但是在PLC輸入輸出端口接線過程中，不能讓其遠距離傳輸，不然不僅達不到效果，而且容易產(chǎn)生干擾。因此在設(shè)計時，將PLC接口與電磁閥、小型繼電器進行連接，這樣不僅可以減少設(shè)計、制造和使用上的麻煩，而且安全性能和抗干擾能力也有所提高。

5.3 環(huán)境因素對PLC的干擾

由于地下礦山環(huán)境構(gòu)造復(fù)雜，不僅環(huán)境惡劣（潮濕、高溫、粉塵等），而且地下各種礦物質(zhì)對PLC的干擾也是一大難題。因此在井下安裝PLC往往需要開辟的獨立放置空間，通過安裝加熱器、風機等額外裝置對PLC進行保護，并定期檢查維護。而在解決干擾問題則需要通信線上的屏蔽有效接入，并防止通信線腐蝕、砸斷。

6 小結(jié)

時代在發(fā)展，社會在進步。金屬非金屬礦山行業(yè)的科技含量也在不斷提高，尤其是PLC在提升系統(tǒng)中的應(yīng)用，為金屬非金屬礦山企業(yè)的正常生產(chǎn)創(chuàng)造了良好的基礎(chǔ)。PLC技術(shù)的引進極大改變了我國礦山運行方式，由原來的手動、半自動化向全自動、智能化邁進。而且越來越多的生產(chǎn)廠家也看到了未來礦山發(fā)展前景，在制造和研發(fā)滿足礦山需求的設(shè)備，達到礦山所需要的抗干擾能力強、性能完善、編程直觀、可靠性和精度高，能夠有效提高系統(tǒng)的性能的PLC。所以PLC控制技術(shù)在礦山的應(yīng)用是未來礦山企業(yè)發(fā)展大的趨勢。因此在應(yīng)用過程中，結(jié)合提升系統(tǒng)的特殊工作環(huán)境以及穩(wěn)定性和可靠性，采用PLC技術(shù)取代傳統(tǒng)系統(tǒng)，不僅可以顯著增強系統(tǒng)的控制性能，而且可以顯著提高系統(tǒng)的安全性和可靠性，提高金屬非金屬礦山企業(yè)的生產(chǎn)效率。