PLC技术极大提升矿山设备的控制水平

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/，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。