淺談PLC技術在煤礦電氣自動化中的應用現(xiàn)狀

　林偉通，徐羽高

（廣西百色美聯(lián)能源科技有限責任公司，廣西百色533000）

淺談PLC技術在煤礦電氣自動化中的應用現(xiàn)狀

林偉通，徐羽高

（廣西百色美聯(lián)能源科技有限責任公司，廣西百色533000）

基于PLC技術的特點，闡述了PLC技術在煤礦空氣壓縮機和提升機中的應用，論述了PLC控制系統(tǒng)在空氣壓縮機和提升機優(yōu)勢，指出了PLC技術在煤礦電氣自動化的發(fā)展趨勢。

PLC技術；煤炭工業(yè)；電氣自動化；應用

PLC是一種采用可編程存貯器，它能夠在其內(nèi)部進行諸如算術計算、計數(shù)、定時、順序控制以及邏輯運算等指令的存貯，通過模擬量或數(shù)字量的輸出和輸入進一步控制各電氣設備的運轉(zhuǎn)。PLC是目前最先進的控制器，相比以往的繼電器控制技術，PLC不僅具有使用便捷的特點，而且可靠性高，抗干擾性強。近些年，煤礦電氣自動化行業(yè)對于可持續(xù)發(fā)展的政策日益重視，傳統(tǒng)的高耗能、低效率的設備正逐步被取代，而PLC技術正憑借自身的優(yōu)點，通過采用模塊化的形式運用在煤礦電氣自動化設備中，對實現(xiàn)降低能量損耗、提高工作效率起到至關重要的作用［1］。本文將介紹PLC技術在煤礦電氣自動化中的應用現(xiàn)狀，重點分析PLC技術在空氣壓縮機和礦井提升機中的工作特點，希望對科研工作者研究PLC技術起到借鑒作用。

1　 PLC技術在煤礦電氣自動化中的應用現(xiàn)狀

隨著煤礦電氣自動化行業(yè)的快速發(fā)展，人們在倡導提高工作效率的同時，設備的安全性和可靠性也越來越得到關注。鑒于可編輯控制器（PLC）是目前最先進的控制器，PLC技術有著使用便捷、可靠性高的特點，使得PLC技術在煤礦電氣自動化中得到了更廣泛的應用。其中采用PLC技術改進空氣壓縮機和提升機的性能便是眾多應用中的典范［2］。

1.1 PLC技術在空氣壓縮機中的應用

空氣壓縮機是重要的礦山生產(chǎn)電氣自動化設備之一，它能生產(chǎn)壓縮空氣，用于帶動鑿巖機、風動裝巖機等設備及其它風動工具。空氣壓縮機的運行性能及其可靠性可以直接關系到礦井的安全生產(chǎn)，換句話說，礦山生產(chǎn)的產(chǎn)量和效益與空氣壓縮機能否正常運行有密不可分的關系［3］。常見的空壓機可以分成幾種不同的形式，包括往復式、回轉(zhuǎn)式、螺桿式和離心式。往復式空壓機（又稱往復式空壓機）在礦山得到了廣泛的應用；回轉(zhuǎn)式空壓機一般位于移動式壓氣設備系統(tǒng)；螺桿式和離心式壓氣機的排氣量和壓力較大，適用于空氣消耗量和壓力較大的設備網(wǎng)路［4］。

2013年以前，國內(nèi)運行的空氣壓縮機大都采用一般的繼電器控制［5］。由于空氣壓縮機安全生產(chǎn)容易受到壓縮機的超溫、超壓、斷油等因素的影響，導致煤礦的空壓機存在運行效率低、能量浪費嚴重、控制方式落后、自動化水平低和供氣質(zhì)量差等問題。為了提高空壓機的可靠性和安全性，降低運行成本，改善工作環(huán)境，提高生產(chǎn)效率和自動化水平，科研人員選擇采用PLC作為核心控制器［6］。

1.1.1 PLC技術在空氣壓縮機自動控制系統(tǒng)中的應用

早在2008年，為改進空氣壓縮機的自動控制系統(tǒng)中自動巡回檢測控制，科研人員設計了以西門子S7-200系列PLC為核心控制器，利用PROFIBUS總線協(xié)議作為系統(tǒng)的通信橋梁，通過傳感檢測儀器為PLC提供控制中所需的信號參數(shù)的方案，其中主要包括對空壓機高低壓缸溫度、潤滑油溫度、電動機溫度、風包溫度、出水溫度，高低壓缸壓力、潤滑油壓力、風包壓力，斷水檢測等參數(shù)的檢測。這套設計方案最終得到了應用，改進了空壓機的自動巡回檢測控制系統(tǒng)，使空壓機更加智能化［7］。

另外，山東棗莊礦業(yè)集團的高莊煤礦為了實現(xiàn)空壓機參數(shù)的在線實時檢測及智能控制，科研人員采用PLC以及現(xiàn)代檢測技術和網(wǎng)絡控制技術，對井下空氣壓縮機進行改造（如圖1所示）［8］。新系統(tǒng)由壓力及溫度檢測傳感器、PLC控制柜、帶觸摸屏的西門子可編程控制器（PLC）S7-300及模擬量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、以太網(wǎng)模塊組成。采用集中管理、分散控制系統(tǒng)結(jié)構。整個系統(tǒng)分為三層，包括現(xiàn)場測量控制層、中央管理層和遠程監(jiān)控層。其中現(xiàn)場測量控制層由各類測量模塊以及傳感器、變送器及執(zhí)行機構組成，主要用于完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、處理及控制；中央管理層和遠程監(jiān)控層由監(jiān)控主機組成，它與現(xiàn)場控制層通過總線相連，動態(tài)監(jiān)控現(xiàn)場設備運行狀況和監(jiān)控數(shù)據(jù)的采集，并向現(xiàn)場設備發(fā)出控制指令，最終通過控制系統(tǒng)運行和利用以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議與其它系統(tǒng)通信，實現(xiàn)傳遞現(xiàn)場設備的監(jiān)測信息。

圖1　高莊煤礦空壓機參數(shù)在線實時檢測及智能控制結(jié)構分布圖

1.1.2 PLC技術在空氣壓縮機變頻系統(tǒng)的應用

當前PLC技術不僅可以應用在空氣壓縮機的自動控制系統(tǒng)，而且可以對空壓機的變頻系統(tǒng)進行改良。針對煤礦空壓機的電能消耗量大，工作效率低下的現(xiàn)狀，科研人員提出一種基于PLC控制的空氣壓縮機的變頻系統(tǒng)。

四川李子埡南煤礦的科研人員研制了煤礦單臺移動螺桿空氣壓風機PLC自動控制節(jié)能技術［8］。這項技術由PLC作為核心控制單元，組成部分主要包括電控系統(tǒng)和氣控系統(tǒng)，通過核心控制單元PLC采集動力氣源系統(tǒng)的壓力參數(shù)，從而決定動力氣源系統(tǒng)中的螺桿空氣壓縮機的運行狀態(tài)。假設動力氣源系統(tǒng)壓力上升到一定值，且不超過額定排氣壓力，當開始卸載，空壓機空載運行時間超過一定值且動力氣源系統(tǒng)的壓力沒有降到螺桿空壓機的加載壓力，此時螺桿空氣壓縮機自動停機。停機后動力氣源系統(tǒng)壓力繼續(xù)下降，在下降到螺桿空壓機的加載壓力時，螺桿壓縮機開始運行并向動力氣源輸送高壓氣體，致使動力氣源系統(tǒng)壓力上升。若動力氣源系統(tǒng)壓力上升到螺桿空壓機的額定排氣壓力，卸載后，空壓機的空載運行時間沒有超過一定值且動力氣源系統(tǒng)壓力又降到螺桿空壓機的加載壓力，則螺桿空壓機繼續(xù)加載運行不停機。這套節(jié)能技術避免了螺桿空壓機的重載啟動和頻繁啟動，通過PLC技術，實現(xiàn)了對空氣壓縮機節(jié)能的目的。

1.2 PLC技術在礦井提升機中的應用

PLC技術除了在空氣壓縮機中得到應用，在礦井提升機的改進中也有PLC技術的支持。礦井提升機在煤礦生產(chǎn)中起到連接地面和井下輸送的作用，且在煤礦的斜井和豎井中使用廣泛。保證礦井提升機的可靠性和安全性，避免在井道中發(fā)生意外，這些都是實現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)的必要因素。傳統(tǒng)的礦井提升機大多采用繼電器和接觸器組成的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)存在結(jié)構復雜、接線多、調(diào)速精度較低等缺點。早在上世紀八十年代，科研人員開始選擇采用PLC與變頻器組成控制系統(tǒng)，盡可能使礦井提升機的安全性、使用性和節(jié)能性得到改善［9］。

1.2.1 PLC技術在提升機控制系統(tǒng)的應用

在提升機控制系統(tǒng)中，PLC核心控制單元通常采用一體化結(jié)構，即將所有的電路裝入模塊中，進而形成簡單的電路模塊。這種模塊具有體積小，安裝方便的特點，且能夠通過邏輯運行將運算結(jié)果和信號傳遞給外接電源或繼電器等模塊，若將PLC用于提升機的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)還會具有控制方便的特點。在現(xiàn)場控制中還可以采用上位機的形式對系統(tǒng)進行編程和調(diào)試，也可以完成對系統(tǒng)運行中參數(shù)的監(jiān)測和監(jiān)控［10］。

西門子S7-300是現(xiàn)在較先進且應用較為廣泛的PLC控制器，它采用并行的連接方式，連接方式的設置上為開關量連接和模擬量連接。其中，開關量連接方式有抗干擾能力、獨立性和自控性較強的特點。現(xiàn)場應用時，可以根據(jù)設備的實際運行方式或狀態(tài)，對礦井提升機變頻調(diào)速系統(tǒng)的變頻器進行S形的速度給定，保證準S形的標準絞車的運行速度。

2015年，科研人員選擇使用西門子S7-300PLC作為主控制器，采用上位機監(jiān)控，設計了一種新型提升機控制系統(tǒng)。通過處理所采集的礦井現(xiàn)場設備的各種信號和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對礦井提升機運行的全數(shù)字控制。其中，主控系統(tǒng)直接控制電機調(diào)速系統(tǒng)以及液壓站潤滑站等，調(diào)速系統(tǒng)基于雙閉環(huán)調(diào)節(jié)方式實現(xiàn)。硬件方面，除了選用CPU315-DP中央處理單元外，還通過進行相應的I/O模塊配置，實現(xiàn)對工作狀態(tài)的監(jiān)視和控制；系統(tǒng)PLC數(shù)字量輸入模塊選用6ES7 321-1FH00-0AA0，用于完成對電氣設備諸如行程開關、操作按鈕等狀態(tài)信號和數(shù)字量信號的采集。數(shù)字量輸出模塊選用6ES7 322-1FH00-0AA0，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)各電機、電動閥進行控制。模擬量輸入模塊選用6ES7 331-7KF00-0AB0，模擬量輸出模塊選用6ES7 332-5HF00-0AB0，分別實現(xiàn)對現(xiàn)場儀表或者各種檢查信號的采集，以及實現(xiàn)提升機的變頻調(diào)速控制。同時科研人員設計了多重保護和聯(lián)鎖功能，最終不僅提高了煤炭的生產(chǎn)效率，還提高了提升機的安全性和可靠性［11］。

可見，PLC技術在礦井提升機控制系統(tǒng)中的應用可以實現(xiàn)煤礦生產(chǎn)的自動化，具有穩(wěn)定性好、精確度高、故障率低的特點，提高煤炭生產(chǎn)效率的同時，降低了員工的工作強度。筆者認為，大力推廣并發(fā)展PLC技術在礦井提升機中的應用，可以更大程度的實現(xiàn)煤礦電氣設備的自動化和煤礦生產(chǎn)的現(xiàn)代化，符合當今社會的發(fā)展要求。

2　 PLC技術在煤礦電氣自動化中的總結(jié)及展望

結(jié)合PLC技術在煤礦空氣壓縮機和礦井提升機的應用，經(jīng)分析可知PLC對于煤礦生產(chǎn)的重要性和先進性，具體體現(xiàn)如下：

（1）實現(xiàn)各參數(shù)在上下機控制系統(tǒng)中的實時傳遞，體現(xiàn)了PLC技術的網(wǎng)絡化前景；

（2）可以根據(jù)使用者的需求，給與使用者對于所需數(shù)據(jù)的精確計算或統(tǒng)計，體現(xiàn)了PLC技術的智能化和精度化；

（3）由于現(xiàn)有PLC系統(tǒng)采用各自廠家的標準，造成設計模式、結(jié)構、編程的不統(tǒng)一，隨著該技術的大量應用，有必要制定統(tǒng)一標準的設計模式、結(jié)構、編程等。

筆者以為，通過選購合適的PLC，經(jīng)過設計對應設備所需的電路，必要時加以改進，使PLC的作用得到更充分的發(fā)揮。同時，將PLC技術更廣泛的應用在煤礦電氣自動化設備中，是未來煤礦行業(yè)提高自動化、信息化的一條必經(jīng)之路。

［1］尹一帆.PLC技術在礦山機電控制中應用研究［J］.自動化控制，2015，（7）：169.

［2］李冰，童小華.淺談PLC技術在礦山機電控制中應用［J］.科教縱橫，2012，（5）：264.

［3］駱陽.礦山空氣壓縮機PLC控制系統(tǒng)［J］.機電與自動化，2008，（12）：142-143.

［4］龔勛.空氣壓縮機在煤礦中的應用淺析［J］.今日科苑，2010，（4）：42.

［5］李劍峰.空氣壓縮機PLC控制系統(tǒng)的研究與實踐［J］.FA與工業(yè)安全，2013，（12）：79-97.

［6］郭慶凱.礦井空氣壓縮機監(jiān)控技術的研究［J］.礦山機械，2011，39（1）：109-111.

［7］盛紅美.井下空氣壓縮機的智能控制系統(tǒng)改造與應用［J］.山東煤炭科技，2008，（5）：49-50.

［8］趙健康.煤礦空氣壓縮機自動運行節(jié)能關鍵技術研究［J］.科技與企業(yè)，2015，（12）：201-202.

［9］李赟.PLC與變頻器在礦井提升機調(diào)速系統(tǒng)中的應用［J］.科技創(chuàng)新與應用，2014，（28）：45-46.

［10］張宜虎.PLC在礦井提升機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中的應用分析［J］.山東煤炭科技，2016，（1）：96-97.

［11］張明珠.基于S7_300PLC的礦井提升機控制系統(tǒng)的設計［J］.煤礦機械，2015，36（9）：258.

Discussion and App lication of PLC in CoalMine Electric Automation

LINWei-tong，XU Yu-gao
（Guangxi Baise Meilian Energy and Technology Co.，Ltd.，Baise Guangxi 533000，China）

Based on the characteristic of PLC，this essay illustrates applications of PLC in coalmine air compressor and hoist.Meanwhile，this paper demonstrates the advantages of PLC control system during using air compressor and hoist.In addition，it shows that the development of PLC in coalmine electric automation in the future.

PLC；coal industry；electric automation；application

TD67

A

1672-545X（2016）06-0114-03

2016-03-12

廣西科學研究與技術開發(fā)計劃（桂科能1598020-8）

林偉通（1965－），男，廣西貴港人，工程師，碩士研究生，從事礦山電力系統(tǒng)的研發(fā)；徐羽高（1992-），男，廣西桂林人，本科，助理工程師，從事電氣工程的研究。