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(yáng) 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(zhǎng)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(guó)內(nèi)市場(chǎng)開放，許多國(guó)內(nèi)國(guó)外PLC廠家為打開中國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(yáng)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(guó)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(gòu)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(zhǎng)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(guó)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。