PLC下礦井提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)淺析
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摘要：如今，中國(guó)的能源需求量越來(lái)越大，能源生產(chǎn)過(guò)程中的安全問(wèn)題不可忽視。對(duì)礦井提升機(jī)原電氣控制系統(tǒng)的改造已成為一種必然趨勢(shì)，plc技術(shù)的應(yīng)用使提升機(jī)作業(yè)更加自動(dòng)化、智能化。分析了礦井提升機(jī)結(jié)構(gòu)及其電氣控制系統(tǒng)，探討了基于PLC的礦井提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的優(yōu)化改造。
關(guān)鍵詞：PLC；礦井提升機(jī)；電氣控制；系統(tǒng)改造
礦井提升機(jī)在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響生產(chǎn)作業(yè)的安全性。但就目前而言，中國(guó)煤礦中使用的礦井提升機(jī)仍存在一系列弊端，尤其是其電氣控制系統(tǒng)，對(duì)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)人員的生命安全都有著較大的影響[1]?；赑LC對(duì)原有的電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，可有效提升礦井提升機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的安全穩(wěn)定性，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，這對(duì)中國(guó)的可持續(xù)發(fā)展起著推動(dòng)性作用。
1礦井提升機(jī)結(jié)構(gòu)及電氣控制系統(tǒng)分析
1.1礦井提升機(jī)結(jié)構(gòu)
礦井提升機(jī)是煤礦開(kāi)采過(guò)程中的大型機(jī)電設(shè)備，其主要由控制部分和機(jī)械部分構(gòu)成?？梢罁?jù)功能的差異將礦井提升機(jī)的零件分為測(cè)速系統(tǒng)、限速系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、減速器等[2]。礦井中所用的提升機(jī)多種多樣，根據(jù)結(jié)構(gòu)及作用原理的差異可將其大致分為兩類：纏繞式和摩擦式。以纏繞式礦井提升機(jī)為研究對(duì)象，其主要由主軸、潤(rùn)滑、制動(dòng)、自我保護(hù)、機(jī)械傳動(dòng)及電氣控制等幾部分構(gòu)成。其中，主軸部分由主軸承和卷軸等組成，機(jī)械傳動(dòng)部分由減速器和聯(lián)軸器等組成，制動(dòng)系統(tǒng)由制動(dòng)器和液壓傳動(dòng)部分等組成。
1.2礦井提升機(jī)對(duì)電氣控制系統(tǒng)的要求
當(dāng)前社會(huì)對(duì)煤炭的需求量越來(lái)越大，對(duì)礦井提升機(jī)提出了更高的要求。首先要考慮的就是安全問(wèn)題，一切作業(yè)都應(yīng)以安全生產(chǎn)為前提，并且礦井提升機(jī)的電氣控制系統(tǒng)也應(yīng)符合一定的標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)式(1)對(duì)礦井提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析[3]：式(1)中，Td為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)扭矩，N·m；Te為電動(dòng)機(jī)的扭矩，N·m；Tj為系統(tǒng)的靜態(tài)扭矩，N·m；Tn為系統(tǒng)的飛輪力矩，N·m；n為提升次數(shù)；t為時(shí)間，s。結(jié)合礦井提升機(jī)在不同情況下的工作狀態(tài)，對(duì)其電氣控制系統(tǒng)也提出一些相應(yīng)的要求[4]：a)礦井提升機(jī)工作中的加速度等相關(guān)參數(shù)應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)；b)礦井提升機(jī)的電氣控制系統(tǒng)應(yīng)能確保為提升機(jī)提供穩(wěn)定安全的動(dòng)力；c)礦井提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置一定的速度區(qū)間，以便能適應(yīng)不同的需求而穩(wěn)定運(yùn)行；d)礦井提升機(jī)應(yīng)能根據(jù)不同的作業(yè)環(huán)境要求對(duì)其工作模式進(jìn)行智能切換。
2礦井提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)優(yōu)化改造的必要性
2.1傳統(tǒng)礦井提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的不足
傳統(tǒng)的礦井提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)通過(guò)繼電器實(shí)現(xiàn)控制，這種提升機(jī)的啟動(dòng)和速度調(diào)節(jié)是通過(guò)在電動(dòng)機(jī)的電路上加上串聯(lián)電阻實(shí)現(xiàn)。該電氣控制系統(tǒng)存在較多弊端，如穩(wěn)定性差、操作麻煩、易出故障、電耗大、生產(chǎn)效率低等，這些問(wèn)題的存在嚴(yán)重阻礙著企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[5]。2.1.1可靠性穩(wěn)定性差。傳統(tǒng)的礦井提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)由繼電器、接觸器等多個(gè)元器件所構(gòu)成，這些元件的體積較大，在提升機(jī)內(nèi)部占據(jù)了不小的空間，作業(yè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的噪聲，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生很大的電耗。此外，這些老舊元件隨著時(shí)間推移靈敏度變得很差，故障率較高，維修次數(shù)多，因此無(wú)法保障設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的安全性。2.1.2罐籠停車時(shí)間不確定。傳統(tǒng)的礦井提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的適用范圍有一定的限制，其智能化程度較差，無(wú)法根據(jù)具體作業(yè)環(huán)境來(lái)切換不同的工作模式。尤其在作業(yè)時(shí)，提升籠的質(zhì)量處于一個(gè)持續(xù)變化的狀態(tài)，實(shí)際作業(yè)參數(shù)與預(yù)期參數(shù)相差較遠(yuǎn)，這也就導(dǎo)致了提升機(jī)罐籠停車時(shí)間無(wú)法確定。2.1.3不能保證精確度。傳統(tǒng)的礦井提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的精確度較低，這主要是因?yàn)槠涫怯纱欧糯笃鞒袚?dān)控制工作。2.1.4不能及時(shí)排查故障。傳統(tǒng)的礦井提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)相對(duì)來(lái)說(shuō)故障率較高，并且故障的位置與原因無(wú)法直接獲取，使故障無(wú)法得到及時(shí)排除，拖慢了煤礦企業(yè)的生產(chǎn)進(jìn)度。2.1.5無(wú)法調(diào)速。傳統(tǒng)的礦井提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)無(wú)法對(duì)提升機(jī)運(yùn)行速度進(jìn)行控制，提升機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊力，存在一定的安全隱患。
2.2基于PLC的礦井提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)及其優(yōu)勢(shì)
近10年以來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了PLC技術(shù)的進(jìn)步。將PLC應(yīng)用到設(shè)備中具有智能化程度高、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。PLC技術(shù)的發(fā)展使中國(guó)一些大型企業(yè)的生產(chǎn)效率得到了很大提升。在礦井提升機(jī)中，采用基于PLC的電氣控制系統(tǒng)，利用軟件驅(qū)動(dòng)來(lái)取代繼電器，能克服繼電器穩(wěn)定性差、適用性差等缺陷，實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的優(yōu)化。采用了PLC技術(shù)后，礦井提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的安全性有了進(jìn)一步的提升。且在系統(tǒng)主回路的優(yōu)化中，設(shè)計(jì)由可控硅通過(guò)逐級(jí)切斷電阻來(lái)控制設(shè)備的啟停，優(yōu)化后的系統(tǒng)表現(xiàn)出較好的節(jié)能效果。實(shí)際運(yùn)行表明，該系統(tǒng)具有操作便捷、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，可滿足生產(chǎn)要求[6]。PLC技術(shù)利用軟件對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，可將復(fù)雜的控制線路整合起來(lái)，因此操作比較簡(jiǎn)單[7]。此外，PLC系統(tǒng)中也存在回路?？赏ㄟ^(guò)相關(guān)的保護(hù)裝置對(duì)PLC系統(tǒng)中的回路進(jìn)行保護(hù)。同時(shí)，若設(shè)備運(yùn)行期間發(fā)生故障，系統(tǒng)能及時(shí)監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)并啟動(dòng)故障監(jiān)測(cè)程序，判斷故障的位置及原因，做出相關(guān)的處理指令，因此PLC技術(shù)的應(yīng)用能很好地對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。
3礦井提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的優(yōu)化改造
根據(jù)對(duì)傳統(tǒng)的礦井提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)所存在問(wèn)題的探討，提出以下的優(yōu)化改造方案。優(yōu)化改造后的電氣控制系統(tǒng)將原控制系統(tǒng)中除液壓站之外的元件全部替換為數(shù)字化電氣控制元件[8]。優(yōu)化改造后的礦井提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。優(yōu)化改造后的礦井提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)利用對(duì)邏輯電路的編程，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的雙重保護(hù)，具有故障報(bào)警與分析等功能。
3.1優(yōu)化改造后電氣控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
圖2所示為根據(jù)礦井提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的安裝要求，對(duì)其進(jìn)行的硬件配置。優(yōu)化改造后的礦井提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)通過(guò)PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。在西曲煤礦中所選的PLC為三菱FX2N系列，設(shè)計(jì)了電氣控制的一些硬件設(shè)備及I/O（Input/Output，輸入/輸出）接口。關(guān)鍵電路中的硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。
3.2改造后電氣控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
基于PLC的礦井提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為現(xiàn)場(chǎng)總線、人機(jī)界面及PLC程序的設(shè)計(jì)。主要針對(duì)PLC程序的設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。西曲煤礦適用的PLC軟件名稱為GX-Developer。改造優(yōu)化后的電氣控制系統(tǒng)提升了設(shè)備的適用性，可根據(jù)作業(yè)環(huán)境的改變自動(dòng)切換工作模式。實(shí)際作業(yè)中，該電氣控制系統(tǒng)可對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，利用收集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析后，結(jié)合提升機(jī)相應(yīng)的工作需求，發(fā)出下一步操作的指令。相應(yīng)的電氣控制流程如圖4所示。根據(jù)圖4所示流程，分別編制主控制機(jī)的軟安全回路、主控機(jī)自動(dòng)切換程序、主控機(jī)制動(dòng)程序、主控機(jī)速度測(cè)量程序、主控機(jī)制動(dòng)油過(guò)壓程序的梯形圖。
4優(yōu)化改造后礦井提升機(jī)應(yīng)用效果分析
將煤礦內(nèi)的礦井提升機(jī)經(jīng)過(guò)上述優(yōu)化改造后進(jìn)行了為期1a的試運(yùn)行監(jiān)測(cè)，其間提升機(jī)未出現(xiàn)任何問(wèn)題，說(shuō)明PLC電氣控制系統(tǒng)能使提升機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行，其可靠性提高，并且企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益也得到了有效提升。具體體現(xiàn)在：a)礦井提升機(jī)在應(yīng)用了PLC電氣控制系統(tǒng)之后適用性增強(qiáng)，能切換不同的工作模式，且不會(huì)產(chǎn)生大的電流沖擊；b)應(yīng)用了PLC電氣控制系統(tǒng)的礦井提升機(jī)極大地減少了企業(yè)在人工成本上的投入，也提高了安全性和生產(chǎn)效率；c)相比于傳統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)，PLC電氣控制系統(tǒng)能有效控制設(shè)備的能耗，達(dá)到節(jié)能的目的。
5結(jié)語(yǔ)
傳統(tǒng)的礦井提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)基本上都是通過(guò)繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的，該系統(tǒng)一直存在的響應(yīng)速度慢、控制精度差等弊端，使得礦井提升機(jī)的實(shí)際作業(yè)效果較差。為此，引入以PLC為基礎(chǔ)的電氣控制系統(tǒng)，不僅提高了煤礦生產(chǎn)的效率和精度，還使設(shè)備操控更加自動(dòng)化、智能化，保障了設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
作者:范金龍 單位:晉能控股煤業(yè)集團(tuán)白洞礦業(yè)公司