PLC下礦井提升機電氣控制系統(tǒng)淺析
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摘要：如今，中國的能源需求量越來越大，能源生產(chǎn)過程中的安全問題不可忽視。對礦井提升機原電氣控制系統(tǒng)的改造已成為一種必然趨勢，plc技術(shù)的應(yīng)用使提升機作業(yè)更加自動化、智能化。分析了礦井提升機結(jié)構(gòu)及其電氣控制系統(tǒng)，探討了基于PLC的礦井提升機電氣控制系統(tǒng)的優(yōu)化改造。
關(guān)鍵詞：PLC；礦井提升機；電氣控制；系統(tǒng)改造
礦井提升機在煤礦生產(chǎn)過程中發(fā)揮著重要作用，其運行狀態(tài)直接影響生產(chǎn)作業(yè)的安全性。但就目前而言，中國煤礦中使用的礦井提升機仍存在一系列弊端，尤其是其電氣控制系統(tǒng)，對企業(yè)的經(jīng)濟效益和技術(shù)人員的生命安全都有著較大的影響[1]?；赑LC對原有的電氣控制系統(tǒng)進行優(yōu)化改進，可有效提升礦井提升機運行過程中的安全穩(wěn)定性，延長設(shè)備使用壽命，這對中國的可持續(xù)發(fā)展起著推動性作用。
1礦井提升機結(jié)構(gòu)及電氣控制系統(tǒng)分析
1.1礦井提升機結(jié)構(gòu)
礦井提升機是煤礦開采過程中的大型機電設(shè)備，其主要由控制部分和機械部分構(gòu)成?？梢罁?jù)功能的差異將礦井提升機的零件分為測速系統(tǒng)、限速系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、減速器等[2]。礦井中所用的提升機多種多樣，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為研究對象，其主要由主軸、潤滑、制動、自我保護、機械傳動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，機械傳動部分由減速器和聯(lián)軸器等組成，制動系統(tǒng)由制動器和液壓傳動部分等組成。
1.2礦井提升機對電氣控制系統(tǒng)的要求
當(dāng)前社會對煤炭的需求量越來越大，對礦井提升機提出了更高的要求。首先要考慮的就是安全問題，一切作業(yè)都應(yīng)以安全生產(chǎn)為前提，并且礦井提升機的電氣控制系統(tǒng)也應(yīng)符合一定的標(biāo)準(zhǔn)。通過式(1)對礦井提升機電氣控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行動力學(xué)分析[3]：式(1)中，Td為系統(tǒng)的動態(tài)扭矩，N·m；Te為電動機的扭矩，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為時間，s。結(jié)合礦井提升機在不同情況下的工作狀態(tài)，對其電氣控制系統(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)礦井提升機的電氣控制系統(tǒng)應(yīng)能確保為提升機提供穩(wěn)定安全的動力；c)礦井提升機電氣控制系統(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)定運行；d)礦井提升機應(yīng)能根據(jù)不同的作業(yè)環(huán)境要求對其工作模式進行智能切換。
2礦井提升機電氣控制系統(tǒng)優(yōu)化改造的必要性
2.1傳統(tǒng)礦井提升機電氣控制系統(tǒng)的不足
傳統(tǒng)的礦井提升機電氣控制系統(tǒng)通過繼電器實現(xiàn)控制，這種提升機的啟動和速度調(diào)節(jié)是通過在電動機的電路上加上串聯(lián)電阻實現(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)的礦井提升機電氣控制系統(tǒng)由繼電器、接觸器等多個元器件所構(gòu)成，這些元件的體積較大，在提升機內(nèi)部占據(jù)了不小的空間，作業(yè)時會產(chǎn)生很大的噪聲，同時還會產(chǎn)生很大的電耗。此外，這些老舊元件隨著時間推移靈敏度變得很差，故障率較高，維修次數(shù)多，因此無法保障設(shè)備運行過程中的安全性。2.1.2罐籠停車時間不確定。傳統(tǒng)的礦井提升機電氣控制系統(tǒng)的適用范圍有一定的限制，其智能化程度較差，無法根據(jù)具體作業(yè)環(huán)境來切換不同的工作模式。尤其在作業(yè)時，提升籠的質(zhì)量處于一個持續(xù)變化的狀態(tài)，實際作業(yè)參數(shù)與預(yù)期參數(shù)相差較遠，這也就導(dǎo)致了提升機罐籠停車時間無法確定。2.1.3不能保證精確度。傳統(tǒng)的礦井提升機電氣控制系統(tǒng)的精確度較低，這主要是因為其是由磁放大器承擔(dān)控制工作。2.1.4不能及時排查故障。傳統(tǒng)的礦井提升機電氣控制系統(tǒng)相對來說故障率較高，并且故障的位置與原因無法直接獲取，使故障無法得到及時排除，拖慢了煤礦企業(yè)的生產(chǎn)進度。2.1.5無法調(diào)速。傳統(tǒng)的礦井提升機電氣控制系統(tǒng)無法對提升機運行速度進行控制，提升機運行時會產(chǎn)生很大的沖擊力，存在一定的安全隱患。
2.2基于PLC的礦井提升機電氣控制系統(tǒng)及其優(yōu)勢
近10年以來，計算機技術(shù)的發(fā)展促進了PLC技術(shù)的進步。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。PLC技術(shù)的發(fā)展使中國一些大型企業(yè)的生產(chǎn)效率得到了很大提升。在礦井提升機中，采用基于PLC的電氣控制系統(tǒng)，利用軟件驅(qū)動來取代繼電器，能克服繼電器穩(wěn)定性差、適用性差等缺陷，實現(xiàn)技術(shù)上的優(yōu)化。采用了PLC技術(shù)后，礦井提升機電氣控制系統(tǒng)的安全性有了進一步的提升。且在系統(tǒng)主回路的優(yōu)化中，設(shè)計由可控硅通過逐級切斷電阻來控制設(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。實際運行表明，該系統(tǒng)具有操作便捷、穩(wěn)定性高等特點，可滿足生產(chǎn)要求[6]。PLC技術(shù)利用軟件對設(shè)備進行控制，可將復(fù)雜的控制線路整合起來，因此操作比較簡單[7]。此外，PLC系統(tǒng)中也存在回路?？赏ㄟ^相關(guān)的保護裝置對PLC系統(tǒng)中的回路進行保護。同時，若設(shè)備運行期間發(fā)生故障，系統(tǒng)能及時監(jiān)測到數(shù)據(jù)并啟動故障監(jiān)測程序，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)用能很好地對設(shè)備進行維護，延長了設(shè)備的使用壽命。
3礦井提升機電氣控制系統(tǒng)的優(yōu)化改造
根據(jù)對傳統(tǒng)的礦井提升機電氣控制系統(tǒng)所存在問題的探討，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電氣控制系統(tǒng)利用對邏輯電路的編程，可實現(xiàn)對電路的雙重保護，具有故障報警與分析等功能。
3.1優(yōu)化改造后電氣控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計
圖2所示為根據(jù)礦井提升機電氣控制系統(tǒng)的安裝要求，對其進行的硬件配置。優(yōu)化改造后的礦井提升機電氣控制系統(tǒng)通過PLC技術(shù)實現(xiàn)自動化控制。在西曲煤礦中所選的PLC為三菱FX2N系列，設(shè)計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)計如圖3所示。
3.2改造后電氣控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計
基于PLC的礦井提升機電氣控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要分為現(xiàn)場總線、人機界面及PLC程序的設(shè)計。主要針對PLC程序的設(shè)計進行闡述。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)境的改變自動切換工作模式。實際作業(yè)中，該電氣控制系統(tǒng)可對設(shè)備運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，利用收集到的數(shù)據(jù)信息進行分析后，結(jié)合提升機相應(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，分別編制主控制機的軟安全回路、主控機自動切換程序、主控機制動程序、主控機速度測量程序、主控機制動油過壓程序的梯形圖。
4優(yōu)化改造后礦井提升機應(yīng)用效果分析
將煤礦內(nèi)的礦井提升機經(jīng)過上述優(yōu)化改造后進行了為期1a的試運行監(jiān)測，其間提升機未出現(xiàn)任何問題，說明PLC電氣控制系統(tǒng)能使提升機安全穩(wěn)定運行，其可靠性提高，并且企業(yè)的經(jīng)濟效益也得到了有效提升。具體體現(xiàn)在：a)礦井提升機在應(yīng)用了PLC電氣控制系統(tǒng)之后適用性增強，能切換不同的工作模式，且不會產(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，達到節(jié)能的目的。
5結(jié)語
傳統(tǒng)的礦井提升機電氣控制系統(tǒng)基本上都是通過繼電器來實現(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，使得礦井提升機的實際作業(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)備操控更加自動化、智能化，保障了設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。
作者:范金龍 單位:晉能控股煤業(yè)集團白洞礦業(yè)公司