礦山提升機自動化改造實踐

李正龍，曲明月，王得中，梁大磊

(1.山東金鼎礦業有限責任公司，山東 淄博 255000；2.菏澤衛生學校，山東 菏澤 274000；3.賽飛特工程技術集團有限公司，山東 青島 266061)

隨著社會經濟的不斷發展，礦山提升機在礦山生產中扮演著越來越重要的角色。然而，傳統的礦山提升機存在著很多問題，如安全性低、生產效率低、運行成本高等，因此，對礦山提升機進行自動化改造已成為當前的一個研究熱點。一些企業近些年已經在對礦山提升機進行了深入研究，使得礦山提升機由傳統的控制系統逐漸向著自動化的方向發展，在投入使用后，因自動化控制系統的智能性，大幅度提升了提升作業的安全性、可靠性，以及穩定性。

1 礦山提升機的現狀及問題

傳統的礦山提升機通常采用人工控制，存在安全性低、生產效率低、成本高等問題。同時，傳統的礦山提升機無法滿足現代化生產的需求，不能實現自動化控制和智能化管理。傳統礦山提升機存在如下問題：

1)粉塵的影響

當前，礦山提升機在使用過程中，有時會需要在極限位置進行開關操作。在進行開關操作時，需要開關處于被激活狀態，但是因為在提升過程中會產生較多的粉塵，這就會在一定程度上對行程開關的啟動產生一定的影響，使得行程開關出現被卡死的情況，致使設備停止運行，以至于需要再次對機器進行檢查才能進行使用[1]。

2)缺乏報警裝置

提升機主要用于提升重物，但有時會出現重物過載或是裝置錯位的情況，導致提升機在使用時極易出現堵轉、錯向的問題。這是因為現今的提升機在使用過程中需要進行人工操控，以至于對機械故障不能及時地進行預報，只能依靠工作人員的經驗進行檢測，從而使得礦山提升機的使用效率大大降低，影響了提升作業的進程和效率。

3)線路老化

礦山提升機控制系統的運行依賴于接觸器以及繼電器等簡單的控制設備，正因為設備的簡潔性，導致使用質量無法得到保障。而且因為設施設備使用年頭過長，極易出現線路老化亦或是設備失效的問題，以至于影響礦山提升機的使用，從而對提升作業的進程產生較為嚴重的影響。

4)非標準化零件

提升機制造時部分結構采用的是非標準化的零部件，導致維修困難，成本較高。而且，因為提升機工作位置的特殊性，極易受到煤塵以及粉塵的影響，因此結構的安全性更加難以得到保證，導致提升機的自動化水平以及工作效率受到不同程度的影響，無法與提升作業的要求相適應。

2 礦山提升機自動化改造策略

為了解決傳統礦山提升機存在的問題，本文提出了自動化改造策略。具體來說，自動化改造策略包括以下幾個方面：

1)控制系統升級。采用PLC等現代化控制技術，實現礦山提升機的自動化控制和智能化管理。

2)傳感器安裝。安裝溫度、壓力、振動等傳感器，實時監測礦山提升機的狀態，及時發現故障并進行維護。

3)圖像識別技術應用。利用計算機視覺技術對礦山提升機運行狀態進行實時監測，及時檢測出異常情況并采取措施。

4)通信技術應用。通過物聯網等通信技術，實現礦山提升機的遠程監控和數據傳輸，方便管理人員進行生產調度和設備維修人員的維護。

3 礦山提升機自動化系統改造方向

對礦山提升機進行改造時，應當注重把握提升機改造的方向，對位置、行程，以及全程進行全面控制，以便能夠提升礦山提升機自動化系統的精準度，使得礦山提升機能夠發揮最大的效用。

3.1 位置控制

礦山提升機的本質在于對位置的改變以及控制，當提升物體時，需要將物體固定在預定的位置，并且還需要在預定的位置停留，所以對于礦山提升機位置控制的精準度要求是極為嚴格的。如果礦山提升機出現了較大的錯誤，位置高了或低了幾厘米，都可能發生事故。因此，對提升機進行改造時，更加傾向于使用PLC系統進行控制。基于對位置信號的采集，對提升機每一處停留的位置進行確定，以便能夠提升對每個信號處理的精準度，從而完成對位置變化的精準控制。

3.2 行程控制

礦山提升機應用時，主要是由PLC系統實現控制。因為PLC系統具備較為強大的功能，能夠精準地控制系統，保證礦山提升機的精準性。而且，PLC系統能夠降低機器操作的復雜性，通過簡單操作就可以完成提升過程的控制。另外，PLC系統具有極快的計算速度，將其安裝至礦山提升機中，可以使得礦山提升機攜帶診斷的功能，使得礦山提升機具有操作臺、主控系統，以及上位機等設施，通過檢測每個信號的變化，將其連接至信號的控制箱當中，從而實現數據的及時處理和采集，降低礦山提升機出現事故的概率。

3.3 全程控制

礦山提升機系統改造完畢后，安全性、可靠性都實現了大幅地提升。而且安置PLC系統后，還能實現對礦山提升機全過程的監測，使得礦山提升機滿足現代化的要求。在安裝PLC系統后，通過主系統，礦山提升機能夠實現對數據的監測。首先，對礦山提升機每個提升過程的數據變化進行監測，促使每個工作的開展都能夠具有精確的數據參照。其次，能夠在每個裝置的運行過程中，對運行狀態的變化進行實時監測，使得運行裝置能夠更具安全性。最后，對處于提升機各個部位的傳感器信號進行提取和采集，在保證信號私密性的同時實現對信號的傳輸。PLC系統通過對以上數據的監測，能夠為工作人員提供必要的數據，并將數據變化在上位機中顯示出來，從而對事故以及問題進行預防，提升礦山運輸的安全性。

4 礦山提升機自動化系統改造細則

礦山提升機進行改造時，要想提升自動化程度，就應當對其中的零部件進行更換，以便能夠保證礦山提升機的應用效果，保證礦山提升機能夠滿足礦山工程建設的要求，也保證礦山提升機使用的安全性。

4.1 真空高壓換向接觸器

將礦山提升機的空氣式換向器改換成真空高壓換向接觸器，能夠提升操作的便捷性。在使用時，只需要通過簡單的接通和替換，就可以滿足提升機的換向要求，而且切斷的速度加快，使得礦山提升機更加能夠實現對方向的控制，保證工程建設的安全性得到保障。

4.2 電控消弧繼電器

電控消弧器的主要作用在于能夠消除電壓過高的情況(如圖1)。通過對電控消弧繼電器的改造，高電壓負載的情況得以切換，從而遏制提升機使用時火花的產生，保證提升機安全性；即便出現拉弧現象，也能有效規避觸點的燒蝕問題。另外，在提升機應用過程中，因為極易遇到電磁干擾，提升機能耗提升，通過對電控消弧繼電器的改造，能夠有效規避該類問題，降低了提升機的電源能耗。

圖1 電控消弧繼電器的運行流程

4.3 電控低速繼電器

低速繼電器應用于礦山提升機，通過釋放減速信號，使繼電器帶動腳踏動力制動，切斷與制動器相接觸的接觸器，實現切斷動力制動的目的，實現對礦山提升機動力的調節，能夠對礦山提升機二次供電。

4.4 電控減速開關

在礦山提升機應用過程中，主要采用的是磁性開關。通過傳感器對外界磁場的變化感應，實現對開關動作的切換。尤其是，通過對弱磁傳感器的使用，能夠提升微電子器件的靈敏度，使得微電子器件憑借較高的分辨率以及寬反應頻率抵御外界對提升機使用時的干擾。同時，隨著輸出容量的增大，即便在一方電路失效的情況下，也能保證提升機的正常運轉，保證開關處于正常的工作狀態當中。而且在磁性開關當中采用一系列的綜合技術，在指標以及性能上都獲得了大幅度地提升，使得提升機使用的安全性得到保障，為礦山工作提供穩定的技術支持。

5 礦山提升機系統改造關鍵技術

為了實現礦山提升機的自動化改造，需要掌握以下關鍵技術：

1)現代化控制技術。可編程控制器、直流電機控制器和智能化管理，以提高生產效率和安全性。2)傳感器技術。安裝溫度、壓力、振動等傳感器，能夠實時監測礦山提升機的狀態，及時發現故障并進行維護。3)計算機視覺技術。利用計算機視覺技術對礦山提升機運行狀態進行實時監測，能夠檢測出異常情況并及時采取措施。4)通信技術。通過物聯網等通信技術，實現礦山提升機的遠程監控和數據傳輸，方便管理人員進行生產調度和設備維修人員的維護。

6 礦山提升機系統改造技術及方案的應用

基于礦山提升機系統的改造計劃以及改造技術，在對其進行實際改造的過程中，需要針對提升機自動化系統進行改造，以便完善提升機的監控、報警，以及調節功能，促使其能夠與提升作業的生產要求相適應，使得提升作業的安全和效率得到保障。

6.1 提升系統

提升系統的改造，PCL以及主電路是重點。在實際改造中，PCL作為其子系統的主要器件之一，能夠在接收到控制面板的命令后實現對交流接觸器的操控，從而保證變頻器以及驅動電機按照指令運行，時刻監測提升作業時的狀態，并通過指示燈的變化對提升作業人員進行提醒。更為重要的是，通過PCL的使用，能夠接收來自進程開關、旋轉編碼器，以及制動系統的信息，并經由網絡裝置將信息傳輸至接觸屏中，為作業人員提供參考數據。在對主電路進行改造時，需要應用PCL的控制系統，實現對各個線圈的控制。待至KM0線圈得電時，表示主體電路系統已經處于準備工作狀態中，而KM1線圈在進行變頻運行的過程中。PCL的主要作用在于對提升機運行速度進行控制，保證運行的狀態能夠與提升狀態相匹配[2]。而待至變頻電路的電流達到 50 Hz 時，變頻器就達不到省電的作用，因此需要PCL對線圈的得失電狀態進行調整，保證KM2線圈處于變電接觸器得電狀態。在線圈接觸點斷開和連接的狀態，通常與變頻器的聯結具有直接的關系，因此，當電動機運行時，通過對線圈的得失電狀態的調整，能夠實現提升系統速度的提升，從而使得電氣與PCL程序實現互鎖。

6.2 全數字調節

全數字調節系統作用在于，基于當前提升作業的需求為提升作業選擇合適的系統。例如，當進行控制傳動操作時，就需要啟動全數字調速系統，再輔以高效微處理器進行處理，以便能夠承擔電樞以及勵磁回路的調節和傳動。在該系統進行運作的過程中，為了保證運作的準確性，會依照參數實現對模塊的調節，以便提升機的轉速和轉矩能夠達到相應要求。另外，在使用該系統的過程中，需要在電網允許的范圍內，對電流波動進行監測，從而提升系統的靜態速度，使得脈沖編碼器實時反饋設備的運行數據[3]。同時，該系統能夠利用網絡通信功能，實現數據的傳輸，使得各個調節器能自動優化；通過對數字量以及模擬量的衡量，達到簡化系統操作的目的，從而實現系統的最佳控制，保證提升機的運行安全，實現礦山提升機的自動化運轉，保證礦山提升機提升作業的安全。

6.3 主令控制器

利用旋轉編碼器對提升及制動主令控制器進行控制，需要采用單圈的模式，并且還需要保證電動機處于正常運轉、反轉以及停止狀態下。利用控制手柄實現編碼器的手動控制，以便能夠將信號準確地傳輸至PCL端口。同時，利用手柄轉動角度以及方向的變化，實現外圈器件的具體操作，從而使得器件能夠達到相應的控制要求。主令位置處于30°左右時，利用變頻器以及交流接觸器使電機處于正常運轉當中，從而使額定轉速能夠達到相應標準，達到提升作業的要求；主令位置的角度處于-45°時，電動機處于反轉狀態，額定轉速達到80%左右，實現電動機運行狀態的控制。依照電動機容差，可以判斷出電動機額定轉速的配置，目的在于顯示當前主令所處的位置，以便能夠通過指示燈向提升作業人員提示目前的運轉狀態。

6.4 模式選擇開關

模式開關的作用是通過旋轉開關實現模式的切換，從而適應提升作業的不同要求，進而實現對整個系統的控制。①自動模式。在以前的系統提升作業中，需要借助人工的操作，所以機器速度的變化會不可避免地受到人員承受能力以及生命安全因素的影響，因此將速度控制在 5 m/s 左右，以便能夠保證提升人員的安全。但轉變為自動模式后，整個系統的運行會依照運動的進程進行更改，并將整個運動階段拆分成加速、保持，以及減速階段，保證運行速度的合理性，達到提升建設標準。在處于加速階段時，機器的轉速能夠從零開始提速，達到峰值后，為了保證提升作業的安全性，需要進入保持階段，到達減速點后，機器需要開始減速[4]。②手動模式。該模式主要被應用于設備的檢修工作。依照提升作業的實際情況，運轉速度是需要進行隨時調整的，以便能夠將提升作業的事故率降到最低。在運行速度處于較低的數值時，提升速度高于運行速度，如果在此高度上，設備沒有出現故障，則能夠對主令控制器進行變速以及變向處理。③緊急模式。在設備出現故障時，要想降低對提升作業的影響，應當將物資運送至安全位置，以便能夠起到保護作用。

6.5 監控系統

監控系統需要PC端的支持，在組態軟件編寫的幫助下，經由監控主界面來完成，以便能夠基于當前模式以及當前的速度完成對電動機轉速以及方向的控制，使得設備中鋼絲繩以及電動機的轉速和油溫都能夠處于監控狀態，并在事故發生時對提升人員進行示警，保證提升作業的安全性。

7 項目收益

7.1 節電方面

提升機自動化改造后，運行時間相應增加。由于各系統間可以信息交流，減少了提升機每天的空運轉，每班減少時間在 60 min 以上。提升機系統的總功率為 550 kW，則每天可以節約用電達 1600 kW·h 以上。按照工業用電平均價0.7元/kW·h，則每天節約近1200元。據此計算，每年節約將達40萬元以上。

7.2 故障判斷與維修

提升機自動化改造后，信息采集更全面，所有運行數據、故障信息等實時工況一目了然，既為維修人員降低了工作難度和工作量，提高了檢修效率，也為技術人員提供了判斷故障的依據，極大地減少了停機時間，直接提高了生產效率。

7.3 人員配置

提升機自動化改造后，每班由原8改為2人即可保障提升系統的安全運行。我礦采用4班制，共減少人員配置24人，每年減少人工成本230萬元以上，在降員增效方面產生的人工成本節約非常可觀。

8 結語

本文針對礦山提升機存在的問題，進行了自動化改造，并介紹了其中的關鍵技術。實踐證明了自動化改造的有效性和可行性。通過自動化改造，礦山提升機能夠實現自動化控制、智能化管理和遠程監控，大大提高了生產效率和安全性，同時也大幅度地降低了運行成本。

隨著人工智能、大數據、物聯網等高科技的不斷發展，傳統礦山提升機的自動化改造將會更加深入和廣泛，如更高的生產效率、更低的能耗、更高的自動化程度等，為礦山安全生產帶來了新的機遇。同時，礦山提升機的自動化改造，也將推動整個礦山行業的自動化、智能化和數字化的進程。