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        可編程邏輯控制器在礦山提升系統(tǒng)中的應(yīng)用

        2021-12-23 14:23:52徐偉豪
        中國金屬通報(bào) 2021年17期
        關(guān)鍵詞:提升機(jī)觸摸屏變頻器

        徐偉豪

        (山東煙臺(tái)鑫泰黃金礦業(yè)有限責(zé)任公司,山東 海陽 265147)

        1 PLC技術(shù)的相關(guān)概念

        可編程序控制器(英文簡(jiǎn)稱PLC)是當(dāng)前最為先進(jìn)的一種工業(yè)控制裝置。它的構(gòu)成由主機(jī)、供電電源、輸入輸出端口、可編程器、擴(kuò)展模塊和外部連接設(shè)備等幾個(gè)主要部分構(gòu)成。它集成了計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制等先進(jìn)技術(shù),成功實(shí)現(xiàn)主命令、控制的功能以及每個(gè)水平控制臺(tái)之間的信息傳輸[1]。不僅如此,它還可以生成對(duì)提升機(jī)速度控制系統(tǒng)的完整數(shù)字指令,并同時(shí)可以監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行與循環(huán)。并且通過電子計(jì)算機(jī)和觸摸屏,利用相關(guān)軟件可以完美處理并自動(dòng)反饋來自各個(gè)生產(chǎn)運(yùn)行環(huán)節(jié)的信息(原理方式見圖1)。

        圖1 PLC工作原理的簡(jiǎn)要示意圖

        現(xiàn)如今PLC已被廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)機(jī)械和生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制中,成為一種最快捷、最廣泛、最重要的工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)控制裝置,與智能機(jī)器人、CAD/CAM并列為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化三大支柱。

        2 LC控制特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

        PLC采用的是微電子技術(shù)來實(shí)現(xiàn)各種控制功能,在現(xiàn)場(chǎng)的輸入信號(hào)作用下觸發(fā)預(yù)先輸入的程序并控制現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)以后,就能按照設(shè)定規(guī)律進(jìn)行動(dòng)作,能夠準(zhǔn)確執(zhí)行順序邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制、定時(shí)控制、記數(shù)控制、步進(jìn)控制、數(shù)據(jù)處理、模數(shù)數(shù)模轉(zhuǎn)換和通信及聯(lián)網(wǎng),并與變頻器、直流調(diào)速裝置以及恒減速裝置等相關(guān)設(shè)施設(shè)備完美契合,結(jié)合成為一整套自動(dòng)控制主體系統(tǒng),安全高效的完成生產(chǎn)任務(wù)。

        與傳統(tǒng)TDK電控系統(tǒng)相比,PLC具有如下特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)。

        (1)PLC系統(tǒng)邏輯關(guān)系簡(jiǎn)單,和TDK電控相比PLC系統(tǒng)用主機(jī)和軟件代替了原來的邏輯繼電器,可以減少部分元件及對(duì)元件的損耗,延長電氣設(shè)備使用壽命。并且還大大提高了設(shè)備安全性、可靠性,使設(shè)備故障率有所降低。

        (2)PLC可以使用上位機(jī)、觸摸屏等設(shè)備進(jìn)行顯示監(jiān)測(cè),能夠及時(shí)發(fā)出報(bào)警、運(yùn)行狀態(tài)反饋、參數(shù)設(shè)定的綜合診斷以及監(jiān)視信息并形成閉環(huán)控制,并能夠以直觀、清晰、連續(xù)的顯示在屏幕上,從而使使用人員立即予以確認(rèn)并加以恢復(fù)調(diào)整,使整個(gè)系統(tǒng)智能化水平得到極大提高。

        (3)PLC系統(tǒng)利用其微電子技術(shù)的優(yōu)勢(shì),可以實(shí)現(xiàn)許多檢測(cè)、監(jiān)控及運(yùn)行過程重要參數(shù)的記錄,并可以隨時(shí)查閱監(jiān)視,為設(shè)備故障原因及動(dòng)態(tài)過程分析提供了依據(jù),使維修工作更加簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、方便,可靠性得到有效提高。

        (4)PLC系統(tǒng)同TDK系統(tǒng)相比具有更好的修改能力。當(dāng)PLC出現(xiàn)硬件功能、軟件功能或者數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)出錯(cuò),導(dǎo)致使用人員判斷失誤進(jìn)行了誤操作后,經(jīng)專業(yè)維修人員確認(rèn)可以立即恢復(fù)并繼續(xù)操作,在保證安全前提下均不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。而且對(duì)某些意外情況引起的故障,PLC系統(tǒng)具備恢復(fù)功能,降低設(shè)備自身缺陷。

        (5)PLC系統(tǒng)具有人性化、簡(jiǎn)單化。并且隨著國內(nèi)市場(chǎng)開放,許多國內(nèi)國外PLC廠家為打開中國市場(chǎng),將PLC軟件和系統(tǒng)做成中文版,使得設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)、故障信息一目了然,滿足客戶需要。

        (6)PLC控制系統(tǒng)成本隨著科技發(fā)展開始逐步降低,而且對(duì)各種變頻器、直流調(diào)速裝置、儀器儀表等兼容性越來越強(qiáng),滿足各大中小企業(yè)用戶的要求,減小新建企業(yè)及老牌需改造企業(yè)的經(jīng)濟(jì)投入。

        3 PLC控制在礦井提升系統(tǒng)中的應(yīng)用

        近幾年來,黨中央和國家對(duì)礦山企業(yè)關(guān)注和投入越來越高,《安全生產(chǎn)法》、《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》等一系列法律條文的制定和修改更是說明國家對(duì)礦山企業(yè)未來發(fā)展方向有了新的要求,尤其是對(duì)提升系統(tǒng)的安全化、智能化要求也越來越嚴(yán)格。

        而PLC因其自動(dòng)化集成度高和體積方便等原因,成為新老礦山對(duì)提升系統(tǒng)安裝改造的首選。以使用PLC控制系統(tǒng)的礦井提升機(jī)自動(dòng)化運(yùn)行為例,當(dāng)罐籠裝置位于井口或井底需要發(fā)車時(shí),由信號(hào)發(fā)送人員通過信號(hào)控制裝置選擇目的地并解除鎖罐后,PLC就會(huì)接收到信號(hào)通信電路發(fā)出的開車信號(hào),這時(shí)PLC控制系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的程序,對(duì)信號(hào)通信電路處理分析,開始進(jìn)行提升機(jī)加速、均速、減速、停車,從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)礦井提升機(jī)的自動(dòng)加減速并確保整個(gè)礦井提升機(jī)能夠在自然機(jī)械特性的基礎(chǔ)上繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

        同樣,整個(gè)PLC控制系統(tǒng)也可對(duì)礦井提升機(jī)行程和提升速度進(jìn)行定量計(jì)算。將旋轉(zhuǎn)編碼器接入到PLC高速計(jì)數(shù)器脈沖輸入端口后,在礦井提升機(jī)在運(yùn)行時(shí)旋轉(zhuǎn)編碼器會(huì)跟隨主電動(dòng)機(jī)做定向擺動(dòng)。PLC控制系統(tǒng)接受到此脈沖信號(hào)時(shí),可以結(jié)合程序中預(yù)先輸入的加、減計(jì)數(shù)方式,對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)計(jì)算,最終可以準(zhǔn)確計(jì)算出在恒定間隔時(shí)間內(nèi),提升機(jī)的提升行程和提升運(yùn)行速度,并通過數(shù)顯屏、上位機(jī)、觸摸屏等設(shè)備顯示[2]。

        值得一提的是,礦井運(yùn)行系統(tǒng)因其復(fù)雜多變性,往往是由多個(gè)PLC組成一個(gè)大系統(tǒng),跟據(jù)預(yù)設(shè)的程序不同其功能和作用也有所變化。這時(shí)我們就要考慮到整個(gè)提升機(jī)安全最關(guān)鍵的問題——“急停措施”。當(dāng)拍下急停按鈕或出現(xiàn)達(dá)成急停條件時(shí),PLC會(huì)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定切除執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電源,但這時(shí)PLC無法自主進(jìn)行復(fù)位,需要故障排除處理完畢后,人為合閘送電后方能使PLC根據(jù)設(shè)定好程序進(jìn)行工作。因?yàn)樵诘V山提升系統(tǒng)里為了有效保障礦井生產(chǎn)安全,必須將主令控制器、急停、液壓站啟動(dòng)等關(guān)鍵命令除了通過PLC自身的網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行信息傳送以外,還需要通過I/O點(diǎn)做成的硬件聯(lián)鎖設(shè)備進(jìn)行二次傳輸。

        如果發(fā)生突然斷電,PLC系統(tǒng)的自我記憶的功能便產(chǎn)生了作用。將故障和問題處理完畢恢復(fù)供電后,PLC首先進(jìn)行自身初始化,并對(duì)主程序進(jìn)行下面幾個(gè)步驟的操作:恢復(fù)工作模式、讀取停電前設(shè)定值、啟動(dòng)功能,然后完成自檢和呈現(xiàn)提升機(jī)停電前位置及狀態(tài)。當(dāng)接收到開車指令時(shí),PLC正常后恢復(fù)運(yùn)行。并且在系統(tǒng)運(yùn)行過程中,PLC不斷接收到來自外部控制所傳出的信號(hào),隨時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息對(duì)比。如果發(fā)現(xiàn)問題,PLC控制系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)程序,對(duì)設(shè)備進(jìn)行停機(jī)或減速處理,來確保斷電恢復(fù)后提升機(jī)位置、速度監(jiān)控、變頻器故障監(jiān)控等的有效運(yùn)行,并且進(jìn)行停車、關(guān)閘處理,確保提升機(jī)安全。

        圖2 某煤礦混合式提升系統(tǒng)各部件

        4 PLC控制系統(tǒng)改造案例

        根據(jù)我國礦山生產(chǎn)需要,安裝和使用PLC控制系統(tǒng)并成功運(yùn)用的企業(yè)越來越多。比如在山東某礦的混合式提升系統(tǒng)安裝,采用的是洛陽中信公司生產(chǎn)的JKMD-2.8×4(Ⅲ)e多繩摩擦式提升機(jī),其中最大提升速度9.5m/s,最小提升速度0.1m/s。而提升機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電機(jī)則是上海電機(jī)廠生產(chǎn)的ZKTD215/47.5型直流電機(jī),電樞電壓660V,功率700KW。而提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)就是利用西門子公司S7-300系列的PLC,并且安裝后成功實(shí)現(xiàn)提升機(jī)自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)、檢修、回收等操作方式。其中提升系統(tǒng)中的安全保護(hù)則采用了硬件保護(hù)和軟件保護(hù)的雙安全回路,并采用監(jiān)控計(jì)算機(jī)對(duì)提升機(jī)全行程各重要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。

        5 PLC控制技術(shù)在礦井提升中注意的問題和發(fā)展

        當(dāng)前,對(duì)PLC控制技術(shù)在礦井提升運(yùn)用里還存在一些問題需要注意。

        5.1 PLC的選取

        目前,世界上PLC生產(chǎn)廠家琳瑯滿目,初步估計(jì)有200余家。其中比較著名的有歐美系西門子、AB、ABB、施耐德、Ge,日韓系三菱、歐姆龍,國產(chǎn)臺(tái)達(dá)、信捷等。所以在選擇時(shí)要根據(jù)礦山需要進(jìn)行選擇。

        如果是新建礦山,最好選擇集成功能性強(qiáng)、兼容功能性好、購買方便且網(wǎng)絡(luò)通信多樣的PLC(如西門子S7-1200、S7-1500等),這樣不僅滿足生產(chǎn)需求,而且兼容市面上多數(shù)通過以太網(wǎng)口通信的變頻器、觸摸屏,尤其是西門子博圖軟件(TIA PORTAL)更是將自家生產(chǎn)的上位機(jī)、觸摸屏、變頻器、運(yùn)動(dòng)PID控制整合到一起,這樣不僅操作者使用起來方便快捷,而且故障一目了然,修改設(shè)備參數(shù)簡(jiǎn)單有效,減少以后改造成本。

        如果是生產(chǎn)時(shí)間長且有一定規(guī)模的礦山需要改造時(shí),就要根據(jù)現(xiàn)狀使用和自身提升系統(tǒng)匹配的PLC。如選擇的PLC是否同變頻器兼容、供電電源選擇交流220V或直流24V、需要的功能是否復(fù)雜、通過以太網(wǎng)通信還是MPI通信等都需要考慮進(jìn)去,選擇合適的PLC。

        不過雖然PLC功能強(qiáng)大,但是我們?cè)谙到y(tǒng)安裝改造的時(shí)候,除了PLC系統(tǒng)配置的電腦、觸摸屏等進(jìn)行監(jiān)視外,還要在操作臺(tái)、配電箱或設(shè)備上安裝配置不同顏色信號(hào)燈,這樣做可幫助使用人員確認(rèn)設(shè)備及PLC運(yùn)行工作狀態(tài),防止因PLC出現(xiàn)意想不到的問題而帶來麻煩。

        5.2 PLC自身接口的合理運(yùn)用

        一般來說,PLC都會(huì)帶有輸入輸出端口,功能強(qiáng)大的還集成模擬量輸入輸出模塊,但是在PLC輸入輸出端口接線過程中,不能讓其遠(yuǎn)距離傳輸,不然不僅達(dá)不到效果,而且容易產(chǎn)生干擾。因此在設(shè)計(jì)時(shí),將PLC接口與電磁閥、小型繼電器進(jìn)行連接,這樣不僅可以減少設(shè)計(jì)、制造和使用上的麻煩,而且安全性能和抗干擾能力也有所提高。

        5.3 環(huán)境因素對(duì)PLC的干擾

        由于地下礦山環(huán)境構(gòu)造復(fù)雜,不僅環(huán)境惡劣(潮濕、高溫、粉塵等),而且地下各種礦物質(zhì)對(duì)PLC的干擾也是一大難題。因此在井下安裝PLC往往需要開辟的獨(dú)立放置空間,通過安裝加熱器、風(fēng)機(jī)等額外裝置對(duì)PLC進(jìn)行保護(hù),并定期檢查維護(hù)。而在解決干擾問題則需要通信線上的屏蔽有效接入,并防止通信線腐蝕、砸斷。

        6 小結(jié)

        時(shí)代在發(fā)展,社會(huì)在進(jìn)步。金屬非金屬礦山行業(yè)的科技含量也在不斷提高,尤其是PLC在提升系統(tǒng)中的應(yīng)用,為金屬非金屬礦山企業(yè)的正常生產(chǎn)創(chuàng)造了良好的基礎(chǔ)。PLC技術(shù)的引進(jìn)極大改變了我國礦山運(yùn)行方式,由原來的手動(dòng)、半自動(dòng)化向全自動(dòng)、智能化邁進(jìn)。而且越來越多的生產(chǎn)廠家也看到了未來礦山發(fā)展前景,在制造和研發(fā)滿足礦山需求的設(shè)備,達(dá)到礦山所需要的抗干擾能力強(qiáng)、性能完善、編程直觀、可靠性和精度高,能夠有效提高系統(tǒng)的性能的PLC。所以PLC控制技術(shù)在礦山的應(yīng)用是未來礦山企業(yè)發(fā)展大的趨勢(shì)。因此在應(yīng)用過程中,結(jié)合提升系統(tǒng)的特殊工作環(huán)境以及穩(wěn)定性和可靠性,采用PLC技術(shù)取代傳統(tǒng)系統(tǒng),不僅可以顯著增強(qiáng)系統(tǒng)的控制性能,而且可以顯著提高系統(tǒng)的安全性和可靠性,提高金屬非金屬礦山企業(yè)的生產(chǎn)效率。

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