PLC提升矿山设备控制水平

　 摘要：针对以前在矿井设备应用可编程序控制器方面存在的问题，积极应用当前已有的可编程序控制器应用新技术，有效保障了矿井设备的可靠运行。

　　PLC（可编程序控制器）因其采用模块化组合结构、使系统组合十分灵便，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，兖州矿业（集团）有限责任公司及其下属各矿针对以前在矿井设备应用可编程序控制器方面存在的问题进行了认真分析和归纳，积极应用当前已有的可编程序控制器应用新技术，提出解决方案并进行了推广与实施，有效地保障了矿井设备的可靠运行，取得了良好的效果。

　　1 数控提升机可编程控制器的可靠性研究

　　中国矿业大学和兖州矿业（集团）有限责任公司使用可编程控制器来改造现有的矿井提升机电控系统，进行数控提升机可编程控制器的可靠性研究，使其具有更强的抗干扰能力伙计与用户连接的适应性。

　　可编程控制器系统的故障包括外部设备故障、系统故障、硬件故障和软件故障。

　　此项研究指出：

　　①安装与布线方面，可编程控制器应远离大功率的可控硅装置、高频电焊机和大型的动力设备等干扰源；I/O线与控制线应分开走，并保持一定距离；在电缆沟内把动力线与控制线分别敷设在电缆沟的两侧，测温电缆要采用屏蔽线，而且要接地良好。

　　②输入端或输出端接有感性负载元件时，应在两端并联续流二极管或阻容电路，以抑制电路断开时产生的电弧对可编程控制器的影响；当井筒接近开关、光电开关等两线式传感器的漏电流比较大时，可能出现故障的输入信号，可在输入端并联旁路电阻，以减少输入电阻。

　　③可编程控制器应与其它设备分别使用自己的接地装置，也可采用公用接地线，但禁用串联接地方式，因为这种方式会在设备间产生电位差。

　　④提升机对控制系统有较高的可靠性要求，在可编程控制器出现故障的时候采用冷备系统，即主控可编程控制器和辅控可编程控制器应尽量一致，以满足紧急运行时可投入使用。

　　⑤供电部分应考虑几个因素：输入电源的电压在一定允许范围之内变化；输入交流电断电时，应不破坏控制器的程序和数据；在控制系统不允许断电的场合，要考虑供电电源的冗余；当外部设备电源断电时，应不影响控制器的供电；要考虑到电源系统的抗干扰措施。他们采取了使用不间断供电系统、双路供电系统、隔离变压器供电系统、单独电源给每一个可编程控制器供电或选用高质量的直流电源等方案来提高控制系统可靠性。

　　2 采用可编程控制器改造矿山老旧提升机

　　兖州矿业（集团）有限责任公司从鲍店煤矿开始研究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，走出了一条可行之路。

　　其实施步骤如下：

　　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，但仍以老系统运行。

　　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。提升机制动系统润滑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在安装中严格质量控制，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，对井筒位置开关与行程、各个机械润滑制动系统状态等提升系统电控监测量，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。他们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了设计运行速度。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 KZP型盘式可控制动装置在下运胶带机的应用

　　兖州矿业（集团）公司济宁三号煤矿在五采区的下运胶带输送机中加设了KZP系列盘式可控制动装置，配合可编程控制器实现了对下运胶带输送机的软制动。

　　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/s2，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。

　　4 井下风门实现自动启闭

　　兖州矿业（集团）公司东滩煤矿和山东省煤炭科学研究所开展了井下风门自动控制的研究，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。

　　现在井下使用的风门均是由人工操作的。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。这项研究的技术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，他们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。

　　此项成果工作原理如下：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。

　　专家们认为：此项成果有效地解决了风门开关不便的难题，可以防止风门撞车事故的发生，值得大力推广使用。

　　5 可编程控制器在通风机自动化变频控制中的应用

　　兖州矿业（集团）公司杨村煤矿在山东科技大学的协助下，成功地将可编程序控制器应用于南风井和北风井的主通风机自动化变频系统，运行稳定可靠、调速平滑方便，而且实现了包括前导器和风门在内的全自动操作，由于其结果使得矿井的风量需求减少而全年节约电费110万元。

　　该系统是以可编程序控制器为控制核心、智能变频器为执行核心的机电一体化成果。为了确保通风机的运行安全，主回路设计为两部分：低频部分由1台VF61-2004智能变频器和2台ABB型低频接触器组成，是通风机的主运行回路；工频部分由2台降压启动器组成，作为低频系统的后备回路，用于低频系统发生故障的时候降压启动并且全速运行通风机。

　　控制系统由5部分组成：SU-6B工业可编程序控制器完成系统的自动控制和智能保护、风量传感器实现系统的风量闭环控制、风门绞车编码器实现风门的绞车精确行程控制、电流变送器实现通风机的过流保护、前导器电动执行机构由可编程序控制器控制自动开启和关闭通风机的前导器。

　　通风机的风门控制和风量闭环是程序设计的关键点。①在通风机运行过程中，如果风门的开、关过位，则有可能造成风门绞车断电或者对风门造成损坏；如果开、关不到位，则会引起漏风从而影响通风机的效率。因而，除了在系统的硬件设计中给予了充分的重视之外（采用TRD1000型轴编码器），软件的设计也作了周密的考虑。②风量闭环的质量直接影响到矿井的通风质量甚至通风安全，所以在软件设计中采用了PD调节的方式，以保证闭环的质量。

　　实践表明：此项成果与国内使用单片机和工业控制机进行改造的类似项目相比较，无论是在可靠性还是参数变更的灵活性方面都具有很大的优越性，可以广泛地应用于矿井主通风机的自动化改造。

　　6 空气压缩机群组的微机监控系统

　　由兖州矿业（集团）公司杨村煤矿和山东省煤炭科学研究所研制的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。

　　其主要性能特点是：①主机采用进口原装可编程控制器，整机稳定可靠，抗干扰能力强；其模块化结构与简单易懂的编程语言，便于现场维护。②采用高精度温度、压力变送器及传感器专用数显仪表、线性电源对AD/DA模块供电、“一对一”屏蔽电缆接线等技术。③系统具备集中控制、参数自动巡检（巡检时间间隔由用户自由设定）与手动检测的功能，且具有运行指示、告警指示、消音、复位等项功能。④整机硬件配置合理，软件结构化设计，性能价格比高；面板PVC工艺制作，外形美观漂亮。

　　7 PLC在矿山空气风缩机集中监控中的应用

　　兖州矿业（集团）公司兴隆庄煤矿与山东省煤炭科学研究所合作，采用SU-6B可编程控制器对4台空气压缩机进行集中监测与控制改造，通过对现场出现的问题不断进行持续调整，达到了基本完善的集中监测与控制功能。

　　该矿工业广场的空气压缩机房布置4台L8/60-7空气压缩机，采用同步电动机直联拖动，励磁柜供励磁电源。每台空气压缩机采用9路开关量、7路模拟量信号输入、7路开关量输出。水温与水压设计成4台机公用，模拟信号传输电缆采用屏蔽电缆，输出数据采用4台机公用显示，定期扫描巡检输出，带手动自锁巡检按钮，便于司机抄表。系统具有故障记忆功能，在声光告警状态下，自动记忆并锁定故障车号及故障状态参数，以便分析，按下“复位按钮”方可恢复系统自动运行。为了确保设备在可编程控制器及故障检修状态下运行，设置了手动控制系统与可编程控制器系统相互切换，手动控制与改造前的控制功能相同。由于压风机启动、停车都按程序进行，必须先卸荷、放风使空气压缩机空载然后再停车，故将方式开关作为紧急停机开关信号引入。

　　在软件上加了紧急停车回路，按照《煤矿安全规程》的要求，将停水、断油、超温与紧急停车开关组合成紧急停车回路，确保故障状态或紧急情况下人为紧急带负荷停车，防止事故蔓延。由于卸荷打风的压力传感器都是专用的，每台机的打风卸荷受各自传感器控制，而传感器都装在各自的风包上，风包排气管路又相互联结在一起，就使较灵敏的压力传感器先动作，打风卸荷交替运行，而不灵敏的传感器基本上不动作，总处在满负荷工作状态。为此，将程序作了修改，使一台机连续运行一定时间后自动卸荷，直到风压降到下限，再投入运行。

　　8 集散式分布控制系统应用于矿井水处理系统

　　兖州矿业（集团）公司济宁二号煤矿原有的矿井水处理设施已无法满足矿井水排量的需求，必须对原处理设施进行技术改造，提高矿井水的处理能力。为此，他们在山东省煤炭科学研究所的帮助下增设了一套新的矿井水处理设备。为了降低了水处理成本，采用了集散式分布控制系统，对设备异常采用超级文本指示可能出现故障的原因，有利于准确分析、判断和排除故障。

　　该矿的矿井水处理设施分两点布置，一级站与二级站相距450m。站内设备布置相对集中，分别设有1台可编程控制器（PLC）对设备进行控制。由于过程控制涉及到整个系统设备监控、数据采集及自动加药排泥、消毒等诸多环节，所以自动加药排泥和消毒都具备独立的控制单元。矿井水处理过程控制系统由网络服务器、上位机系统、可编程控制器控制系统、二氧化氯消毒控制系统、智能仪表、传感变送器以及打印机等组成。此系统采用Porfibus工业总线集散式分布控制方式。上位系统通过MPI总线与下位控制单元PLC、智能控制单元等进行通讯，从而完成相关设备运转的工况监控、相关工艺参数的实时监测和显示、工艺流程控制、动画显示、数据存储、报表管理、定时打印。

　　实践表明，集散分布控制方式的最大优势在于控制风险分担，将控制功能分散到若干个智能控制单元，避免系统某一环节异常或故障而造成整体瘫痪，有着较高的可靠性。下位机如PLC、智能仪表具有独立的CPU，既可脱离上位机独立完成控制功能，又可通过网络通讯接受上位机的监控与管理。由于系统配置灵活、扩展方便，各工控智能单元作为下位机既独立又与整个系统融为一体，优势得以充分发挥，具有较高的性能价格比。

　　9 用PLC实现选煤厂设备起车前故障检测

　　兖州矿业（集团）公司济宁三号煤矿选煤厂采用可编程序控制器控制选煤厂设备起车前的故障预检测，保证全部设备一次起车成功，成功率几乎达到了100%，取得了良好的效果。

　　该厂的设备均采用集中控制方式。在起车过程中，只要其中有一台设备发生了故障，其余的设备就必须全部停车检修，而且要待到所有设备均无故障后才能再次起车。由于选煤厂的设备数量多达数百台，因而起车的过程经常需要重复好几次，不仅严重影响了正常生产秩序，还造成了设备的空运转磨损，浪费了电能消耗。为此，他们采用可编程序控制器对设备进行起车前的故障预测。此项改造完成后，开车前由可编程序控制器对电动机的二次控制回路进行故障检查，检测接点被串入集中控制起车信号回路和电动机控制回路中。在设备完好状态下，检测接点是闭合的，设备有输入信号，此时即可以起车；当设备有故障时，检测接点则是打开的，这时设备没有输入信号，立即可找出故障。常见故障有漏电继电器、热继电器、综合保护器等跳闸及停止按钮按下后没有复位等。

　　运行实践表明，这项改造成果的预检测功能是相当可靠的，经济效益和社会效益均非常显著。行家们对济宁三号煤矿选煤厂应用可编程序控制器实现全厂设备起车之前的故障预检测的成果给予了极高的评价，希望能够尽快地在更大的范围得到推广。

　　10 PLC在鲍店选煤厂集控系统的应用

　　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SIMATICTI545、配煤系统采用SIMATICS70-300。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、MODBUSPLUS接口。与现场设备状态检测及控制电路相连的部分采用MODBUSPLUS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。

　　11 提高PLC控制系统可靠性的措施

　　可编程控制器在选煤厂已得到广泛应用，但由于各种原因造成控制系统可靠性低。兖州矿业（集团）公司职工大学通过原因分析，从软硬件及安装使用等方面提出一些措施，有效地提高可编程控制器的可靠性。

　　⑴设计完善的故障报警系统。在自动控制系统中设计三级故障报警系统。一级设置在控制现场的各种控制面板上，用指示灯指示设备正常运行和故障情况。二级故障显示在中心的控制大屏幕监视器上，设备出现故障时有文字显示故障类型，工艺流程图上对应设备闪烁。三级故障显示在中心控制室信号箱内，出现故障时信号箱声光报警，提示及时处理。

　　⑵提高输入信号可靠性。①硬件。选用可靠性较高的变送器和开关，防止各种原因引起的传送线路短路、断路或接触不良。②软件。在程序设计中加数字滤波程序，增加输入信号的可靠性；现场输入触点后加一定时器，其定时时间根据触点抖动情况和系统要求及相应速度确定，保证触点稳定闭合后才有其它响应；模拟信号滤波采用下法：对现场信号连续采样3次，其间隔由A/D转换速度和模拟信号变化速度决定，去掉最大、最小值，保留中间值存放在数据寄存器中；程序设计时可利用信号间关系判断信号可靠程度，如贮罐上下液位保护的开关动作发出信号给可编程控制器，将此信号与液位计信号对比正确说明真实，反之可能极限开关故障或传送信号线路故障；系统功能表上有时不出现互锁，但为了提高可靠性在编程时必须加以互锁。

　　⑶执行机构。负载由接触器控制时，启动或停止这类负载转为对接触器线圈控制，吸合、释放可靠；开启或关闭阀门时，关闭时间根据阀门开度而不同，设延时又检测不到开或关到位的信号，如信号不能准确返给可编程控制器则阀门可能有故障。

　　⑷安装、布线采取抗干扰。PLC的电源、I/O电源一般采用不带屏蔽层的隔离变压器供电，在较强干扰源环境中使用时接地截面积不小于2mm2，接地电阻不大于100kΩ，接地线采用独立接地方式；可编程控制器电源线、I/O电源线、输入信号线、输出信号线、交流线和直流线尽量分开布线，开关量信号、模拟量信号要分开布线，模拟量和数字传输线采用屏蔽线并屏蔽接地。

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