PLC技術在礦山機電控制中的應用研究

李志國

（大同煤礦集團北辛窯煤業有限公司，山西大同 037001）

0 前言

在煤礦機電控制過程中，PLC技術的應用越來越廣泛，PLC技術中結合了數字運算技術以及數字模擬技術，其擁有非常強的邏輯性，可以完成機電設備的自動化控制工作。和以往的機電設備控制系統對比而言，基于PLC技術而建立的機電設備控制系統更為靈敏，而且在運行過程中擁有優良的可靠性。不過，在煤礦機電控制過程中，要想確保PLC技術的作用可以更好發揮，應當事先設計較為完善的方案，確保方案具有較強的可操作性能，如此才可以充分發揮PLC技術在機電控制過程中的優勢，確保煤礦機電控制的安全性以及穩定性。本文以煤礦機電設備中的皮帶機設備為例，闡述PLC技術在皮帶機機電控制系統中的具體應用。

1 礦用皮帶機機電控制系統結構分析

目前，北辛窯礦主斜井皮帶機生產廠家為上海科大重工集團有限公司，型號為DTL160/350/4*1 600，運輸量為3 000 t/h，帶寬為1 600 mm，安裝長度為905 m，傾角為0°～20°，提升高度約為270 m，帶速為4.5 m/s，膠帶為鋼繩芯阻燃膠帶，帶強為4 000 N/mm；配套3臺電機，生產廠家為南陽防爆集團股份有限公司，型號為YBBP800S1-4，功率為1 600 kW，轉速為1 480 r/min，電壓等級為10 kV，兩用一備）；配套3臺減速機，型號為ML3PSF140-31.5，速比為31.5，兩用一備。

基于PLC技術的皮帶機電控制系統結構示意圖如圖1所示。該控制系統中不同部分的具體功能如下。

（1）在機電控制的主要控制系統之中，最為重要的部分便是PLC控制裝置，該控制裝置能夠決定系統采用何種方式工作以及機電控制系統的具體控制模式，負責各個執行命令的發布，確保皮帶機能夠完成啟動、停止、減速以及加速運行等操作[1]。

（2）輔助控制系統所包含功能是控制動力制動速度閉環環節以及測速環節。

（3）監控系統則主要是負責對皮帶機運行的各個參數加以監測，其監測內容包含有電機速率監測、加速度監測、箕斗位置監測以及各種故障問題監測等，同時還能夠針對皮帶機具體運行過程開展模擬分析，能夠讓操作人員更加直觀地了解皮帶機具體運行狀況[2]。

圖1 皮帶機設備機電控制系統框架示意圖

2 礦用皮帶機機電控制系統改造方案分析

2.1 主控系統的改造方案

機電控制系統之中，主控系統主要是對皮帶機加速、減速以及爬行等操作的控制。在該主控系統之中采用的PLC裝置為三菱公司生產的FX2N系列PLC控制裝置，設置兩臺各項參數完全一致的PLC控制裝置。皮帶機設備具體運行過程中，若是主控系統中的PLC裝置出現問題，則能夠即刻確保備用PLC裝置投入運行，確保不會影響到生產正常進行。在軟件設計中，主控制系統包含有若干子系統，每一個子系統分別完成皮帶機設備手動工作方式、半自動工作方式、自動工作方式的控制[3]。在主控系統硬件選擇時，采用的是高速計速模塊，該模塊主要的功能是對滾筒運行數據進行收集，從而實時的對皮帶機位置加以監測，并且對皮帶機運行超速或者偏斜問題進行判斷。

2.2 變頻調速系統改造方案

PLC電控系統應提供合理優化的可控起動和制動功能，控制輸送機按適當的起動、制動速度或加速度曲線起動和制動，滿足帶式輸送機各種運行工況的要求，包括可控起動、控制變速和定速帶載運行、可控停車以及緊急停車等。變頻調速裝置采用的是合康億盛生產的HI?VERT-YVF型變頻調速裝置，該變頻調速裝置所采用的技術為矢量控制正弦波PWM調控方法，該種調速方法擁有更加優良的調速性能，而且在調速過程中具有更高的可靠性，調速時也更為便捷，可以更好地滿足四象限運行要求。在系統運行時，利用變頻裝置便能夠保證驅動設備依照相應的速率運行，從而更好地滿足各個階段之中皮帶輸送系統對于速率的需求。變頻裝置自身還擁有過載保護、過流保護以及過壓保護等功能，若是皮帶機在運行時發生偏斜或者超速等問題，變頻調控裝置便能夠和系統之中傳感裝置相互配合，確保對皮帶輸送系統實時的保護，從而保障煤礦皮帶機運行的安全性。

2.3 上位機監控系統的改造方案

在信息技術以及PLC技術不斷的發展過程中，PLC控制系統的功能也隨之增強，在PLC控制系統之中，還能夠將皮帶機具體運行參數、運行狀態以及故障問題等以更加直觀與具體的方式展示，這樣便能夠確保管理人員更全面與迅速的了解皮帶機具體運行情況，從而有效的保障皮帶機安全運行[4]。所以，在對上位機控制系統進行改造的過程中，應當構建人機交互工作臺，對皮帶機設備運行過程中的各個參數進行管理與監控。上位機設備采用工業計算機，能夠對皮帶機整個工作流程進行監控，能夠動態顯示皮帶機運行參數，同時還具有故障報警功能，支持報表打印。

2.4 信號控制改造方案

皮帶機控制系統要收集皮帶機運行過程中各個階段的數據信息，其中包含有運行數據信息、操作數據信息以保護數據信息等，全部控制信號均需要輸入至PLC控制裝置之中。PLC對所有的輸入信號加以處理，通過邏輯運算的方式，得出運算結果，并且將結果輸出形成控制命令，以滿足不同情況下皮帶機的運行需求。例如，在對故障信號的處理過程中，當故障信號出現時，PLC裝置便會依照故障的等級不同加以分類處理，按照各種故障的優先等級輸入至安全回路以及保護系統之中，完成邏輯運算工作，并且將運算結果輸出，例如輸出停車指令或者安全制動指令等，然后由對應的執行機構執行各種操作命令，而且，各種信號均被輸送到上位機之中顯示出來[5]。

聯絡信號應包括斷路器分合閘狀態信號、故障信號、分閘控制信號和合閘控制信號，控制柜可以遠程控制高壓斷路器柜的分、合閘；如果由變頻器檢測到系統電網欠壓，通過控制柜可操作高壓斷路器柜分閘；如果檢測到斷路器故障信號，本系統按報警處理；如果在運行期間，某高壓斷路器柜突然跳閘，則緊急停車。皮帶電控廠家與開關柜廠家應密切聯系以實現以上功能。

2.5 安全保護改造方案

在主斜井驅動機房內，設置集中控制室，并配置一套PLC監控系統，由PLC控制系統完成對整個皮帶主電機及附屬低壓電機的監控，變頻器與PLC控制器之間的通訊通過Profibus DP來實現。同時主斜井驅動機房集中控制室兼做礦井膠帶運輸系統的集中控制室。

在對安全保護控制系統進行改造時，設置了更加全面的保護功能，其中包含有超速保護、故障保護、制動油過壓保護等。安全保護控制系統之中還設置有硬件安全電路以及軟件安全電路。硬件電路負責實現硬件安全回路的各項保護功能，軟件安全電路則嵌套于PLC裝置中的軟件系統里，硬件安全電路和軟件安全電路互為冗余且互相閉鎖。若是安全電路斷開之后，則皮帶機控制系統便會做緊急制動操作，即刻將運行指令解除[6]。

3 礦用皮帶機機電控制系統應用效果

3.1 經濟效益

系統改造之后，確保了對皮帶機自動化控制，使得皮帶機運行曲線得以優化，消除了人為操作過程中滯后時間，進一步增加了皮帶機的皮帶輸送能力。網絡化控制方式確保管理人員可以在控制中心通過上位機便能夠實時了解皮帶機運行狀況，可以實現對皮帶機全天候的監控，確保皮帶機的運行效率全面提升[7]。皮帶機機電控制系統應用之前，皮帶機平均單日耗電量為6760度，皮帶機機電控制系統運用之后，皮帶機平均單日耗電量為5940度，平均每日節約電能為820度，每年按照330個工作日進行計算，則每年可節約電能為：820×330=270600度，按照目前工業用電價格0.5元/度計算，那么每年可以節約電費為270600×0.5=13.53萬元，可見僅僅節電一項經濟效益便非常可觀。

應用PLC控制系統之后，很多工作均是通過控制系統完成，可以實現皮帶機自動化操作，遠程對皮帶機進行監控，確保事故發生概率進一步降低。在北辛窯礦皮帶機設備未經過改造之前，皮帶機每月由于故障問題平均停運3h左右[8]。經過PLC控制系統改造之后，至今未出現一次事故，而且，因為皮帶輸送過程中采用自動化操作，使得單位時間皮帶機輸送量更為穩定，確保了煤礦生產中各項計劃編制擁有更為可靠的依據。

3.2 社會效益

北辛窯礦皮帶機設備在經過PLC機電控制系統改造之后，確保了企業自動化程度進一步提升，進一步推動了企業從粗放型生產轉變為集約型生產的步伐，對煤礦生產效率提升起到了很好的促進作用。在應用PLC機電控制系統之后，確保皮帶機能夠安全、自動運行，若是系統發生故障問題，PLC機電控制系統便會對故障加以判斷并及時發出預警信號，預警信號能夠直接輸送至上位機之中，確保維護工作人員可以更加迅速與準確地找到故障位置，從而顯著減輕了工作人員的勞動強度，也使得作業人員的工作環境得以優化。