PLC技术在煤矿机电设备中的应用.pdf

2023.7 矿业装备/1930 引言科技进步驱动着技术创新，煤矿机电设备控制也呈现自动化、智能化特点。PLC 技术是煤矿机电设备自动化控制实现的基础，可以特定类别可编程控制器为核心进行内部存储程序的建立，并面向用户发布逻辑运算、定时、算术操作、顺序控制等指令，提高煤矿机电设备控制灵敏度，规避煤矿机电设备反应滞后引发的诸多事故。因此，探究 PLC 技术在煤矿机电设备中的应用具有非常突出的现实意义。1 PLC 技术在煤矿机电设备中的应用框架PLC 技术在煤矿机电设备中的应用框架如图 1 所示，PLC 技术在煤矿机电设备中的应用框架由压力变送器、变频器、PLC、机电设备、空气开关、互感器、管道组成。系统核心控制为具有代表性微型可编程控制器矩形M48DR-PLC，包括电源、模拟量输入模块、开关量输入模块、模拟量输出模块、开关量输出模块和 CPU，含 48个输入点位与输出点位，通讯口包括一路 RS232 和一路RS485（可扩展），可输出 4 路高速脉冲，实现电气部分起动、运行与切换、停止控制1。在起动环节，电机可经转换开关选择工频起动或变频起动。其中一个电机处于交频调速状态，另外一个电机处于停机状态。现场压力变送器进行管网出口压力检测并与给定值比较，经 PID（比例积分微分）指令运算获得频率信号，根据频率信号进行变频器输出频率调节，实现电动机转速调节。在停止环节，则直接按下停止按钮断开 PLC 全部接触器，机电设备停止运行。图 1 中 PLC 承担着远程控制作用，可与煤矿机电分系统、上位机之间建立总线网络，接受上位机的远程调度，将所监测的机电设备运行参数、指令执行情况发送给上位机，进而由上位机发送运行指令，远程调控。与此同时，PLC 可作为现场操作中人机交互载体，与主令开关、触屏操作进行信息交互，以指示灯形式进行机电设备实际运行状况表征，并经模拟传输强抗干扰电流信号，抑制井筒临近信号线周边动力电缆引起电磁干扰以及功率设备引起的尖峰干扰。2 PLC 技术在煤矿机电设备中的应用实现2.1 硬件设计在PLC构建确定后，依据Profibus（ProcessFieldbus）总线标准，利用矩形 M48DR-PLC 构建现场一级主从式监控网。在现场一级主从式监控网中，监控煤矿机电设备运行状态并在线完成信息向上位机的传输2。主站矩形郝超峰（华亭煤业大柳煤矿有限责任公司，甘肃平凉 744201）摘要：PLC 技术在煤矿提升机、胶带传输机、空压机等机电设备中的应用优势较为突出，可助力机电设备自动报警、变频运行。因此，以 PLC 技术在煤矿机电设备中的应用框架为例，简单介绍其应用实践，并探究其应用功能，希望为该技术的进一步应用和发挥功能提供一些参考。关键词：煤矿；机电设备；PLC 技术PLC技术在煤矿机电设备中的应用图1 PLC技术在煤矿机电设备中的应用框架1.压力变送器 2.电源 3.PLC 4.变频器 5.机电设备 6.管道194/矿业装备 MINING EQUIPMENT装 备M48DR-PLC 硬件组态电源、CPU，从站（配电监控、信号检测、液压制动、润滑控制）配置远程输入输出冗余连接模块、接口模块与热插拔总线模块，其可经硬件组态接口与主站进行信息交互，具体如表 1 示。如表 1 所示，PLC 与触屏经硬件组态 IM153 接口建立信息交互协议，开关柜与操作台从站包含 216 点开关量输入模块、316 点开关量输出模块、332 点开关量输入模块、28 点模拟量输入模块，利用 SM331与电能管理模块可以进行电流、无功功率、电压、有功功率参数的在线控制，利用 SM321、SM322 模块则可以进行开关触点动作控制。井筒信号从站主要配置 18 点模拟量输入模块、216 点开关量输入模块，可以利用 SM321 配合限位开关获取井筒内箕斗开关信号，如上下限位开关、过卷绕开关等，同时在 SM331 模块中实时反馈深度数据；液压制动与润滑从站配置 116 点开关量输入模块、28 点模拟量输入模块，可以经 SM332 与 SM322 进行开关信号监控，涉及润滑泵、制动泵、闸瓦等，并在线进行制动正压力、油温、油压、闸瓦位移、闸瓦间隙的监测，在线处理或经 Profibus 协议转发3。2.2 应用流程根据煤矿机电设备类型的差异，PLC 技术应用流程也具有一定差异。以煤矿空压机中 PLC 控制为例，在煤矿空压机中，PLC 控制的启动运行流程可以根据压力变送器采集到的信号来进行控制。当压力达到要求时，PLC 控制会开启下一步的启动运行，确保空压机正常工作；反之，如果压力不符合要求，PLC 控制会发出警报，提醒操作人员进行相应的处理和调整4。在整个控制流程中，上位机的监控和报警功能起到关键的作用。通过以太网与 PLC 控制器进行信息交互，上位机可以实时监测空压机的运行状态和参数，并在发生异常或故障时及时发出报警信号。这种信息交互方式可以确保操作人员及时了解设备运行情况，并采取必要的措施进行维修和保养。另外，PLC 控制器与变频器之间的信息交互方式通常采用 Profibus 协议。通过 Profibus 通信，PLC 控制器可以读取变频器的电流、电压等参数，实现对变频器运行的自动控制。这种自动控制方式可以根据实时的工作需求和负载情况，自动调整空压机的运行频率和功率，以达到更高的能效和节能效果。总之，PLC 技术在煤矿空压机控制中发挥着重要的作用。通过合理的控制流程和信息交互方式，PLC 控制可以确保空压机的安全、高效运行，提高煤矿生产效率和设备的可靠性。3 PLC 技术在煤矿机电设备中的应用功能3.1 变频调速变频调速是 PLC 技术在煤矿机电设备中主要应用功能。在基于 PLC 的煤矿机电设备变频调速阶段，需要事先选择额定输出功率 1900kW、轻载额定功率 1800kW、重载额定功率 1400kW 的变频器，经硬件组态插入变频器 GSD 文件（GenericStationDescription，通用站点描述，组态 PROFINETIO 设备专用文件）。即点击组态的 PLCCPU 站点双击打开硬件，选择菜单栏中的“选项”，在“选项”中选择安装 GSD 文件，安装后点击浏览，从浏览页面找到 GSD 文件所在文件夹。随后点击安装，按照所选择的总线，在硬件组态右侧查找。在这个基础上，将总线适配器对应站点添加到硬件组态中，编译验证通过后载入主站5。以煤矿乳化液泵站定量供液系统为例，传统基于人工经验的泵启停控制给液压支架推进速度造成了干扰，埋下了供液压力不稳隐患。此时，引入 PLC 变频调速程序。在压力低于设定下限压力（小于 29MPa）时，PLC 控制器根据传感器传送低压信号自动向变频器输出控制指令，控制常闭触点动作将降压控制电路断开，电表1 煤矿机电设备中的PLC硬件组成从站组成参数操作台电源PS307（5A）接口CP5611交换机Profibus 协议开关量输入332/SM 321开关量输出316/SM 322触摸屏KTP 10000开关柜电源PS307（2A）接口IM153开关量输入216/SM 321模拟量输入28/SM 331井筒信号电源PS307（2A）接口IM153开关量输入216/SM 321模拟量输入18/SM 331液压制动与润滑电源PS307（2A）接口IM153开关量输入116/SM 322模拟量输入28/SM 3322023.7 矿业装备/195动机运行速度下降，在顺利完成管道减压的同时，规避电动机正向转动期间转柄、连接轴脱落导致的压力调节受阻。如果需再次调节压力，需要重新启动升压按钮促使电动机沿着反方向转动（工频运行状态），给予连接轴驱动力，调节压力至设定值（30MPa1MPa）；如果压力超出上限压力（大于 31MPa），则输出闭合信号，促使常闭触点闭合，降压按钮发挥作用，下调压力至设定值（30MPa1MPa）。基于 PLC 的变频调速模式运行，可实现乳化液泵站高效率运行，减少电动机启动对泵机械冲击，确保供液压力稳定。3.2 一键倒机作为煤矿安全生产最关键系统，煤矿主通风系统由两套系统热备运行，不正常情况下要求 10min 内恢复通风运行。在煤矿主通风系统投运超过 15 年时，故障发生概率急剧提升，人工倒机操作概率提高，但人工倒机操作存在较大安全风险。基于此，可以引入基于 PLC 的一键倒机与反风自动控制模块，由 PLC 自动控制代替人工干预，并在自动控制的同时进行主要通风参数、运行参数的监控，并在矿区集控显示。在基于 PLC 的一键倒机与反风自动控制模块运行过程中，不停风一键倒机控制载体是风门（1 号风机、2号风机）。倒机开始初期，打开 2 号风机短路风门，开启备用 2 号风机，完成开机前热备用。在 PLC 监测单元显示 2 号风机运转正常后发出信号，遥控（或就地控制）打开 1 号风机短路风门、2 号风机挂网风门与短路风门，进入正常井下通风网络运转状态。在 PLC 监测单元判定在 2 号风门挂网运转无异常后，关停 1 号风机，完成倒机。两风机风门开关配合时间由 PLC 控制程序根据风机功率、风机形式与风量负压计算得出。3.3 故障预警对于服务年限较长的煤矿机电系统，受设备老化、现场条件干扰，正常运行阶段易出现假信号，即控制系统发生异常动作情况下紧急停止全部设备运行关键信号6。在假信号瞬时发生后，在线监控因延迟、上位机信号画面瞬时消失致使集控人员无法及时捕获，维修者需要进入现场逐一排查，工作量较大，工作效率较低。基于此，可以结合现场实际，自主编写煤矿机电系统 PLC 程序，全面捕获整个系统急停、保护、远程停止、故障等瞬时信号，便于维修者在短时间内精准锁定故障位置，为故障点维修效率提高、故障损失下降提供依据。参考文献1 王洪民.煤矿机电一体化的关键组成与设计探析评 机电一体化技术 J.锻压技术,2021,46(10):244-244.2 李剑.PLC 技术在矿用设备监控中的应用评 PLC 技术与煤矿设备监控 J.矿业研究与开发,2019,39(8):146-146.3 陈庆华,李艳梅,陈英俊,等.基于 PLC 的凸轮模锻智能控制系统设计 J.热加工工艺,2020,49(1):99-102.4 房浩.基于 PLC 技术的自动化机电控制系统设计 J.现代电子技术,2021,44(6):24-27.5 亢宗楠,康献民,李宏宇,等.基于数字孪生的机电系统虚拟调试应用 J.机械制造与自动化,2022,51(2):199-202.6 张巍,骆昕,林家春.基于 PLC 的标准布氏硬度机的自动控制系统 J.机电工程,2020,37(2):211-215.以煤矿井下皮带运输机为例，作为一种运输距离长、运行时间长的机电设备，极易受安装精度不足、井下巷道底板鼓起、日常维护不到位等因素影响，出现撒料、跑偏、异常噪声、撕裂、打滑等故障。基于此，可以将基于 PLC 的故障报警与定位控制模块接入全矿井控制系统作为皮带运输机的控制中心，自动监测皮带运输机运行状态，自动捕捉故障信号并发出报警。在皮带运输机发出启动信号后，基于 PLC 的故障报警与定位控制模块完成初始化。速度传感器设备可收集皮带运输机基础运行参数，同时将数据传输给基于 PLC的故障报警与定位控制模块，PLC 控制模块实时读取数据并比对数据与机电设备安全值差异，根据比对结果判定对应的设备状态。在未发现异常时，皮带运输机正常运行；如果反馈数据超出设定安全值，则基于 PLC 的故障报警与定位控制模块发出声光警报，包含故障类型、发生故障位置等。4 结束语煤矿机电设备 PLC 控制过程简单清晰、易于维护，PLC 稳定的性能可以满足多路高速脉冲输入要求。因此，用户可以根据煤矿机电设备控制需求，结合工业控制系统要求，选择输出控制稳定、运算功能强大、控制点位较多的可编程逻辑控制器，进行程序编制，满足煤矿机电设备自动化控制需求。