李正龍，曲明月，王得中，梁大磊

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

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，礦山提升機在礦山生產(chǎn)中扮演著越來越重要的角色。然而，傳統(tǒng)的礦山提升機存在著很多問題，如安全性低、生產(chǎn)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(yè)近些年已經(jīng)在對礦山提升機進行了深入研究，使得礦山提升機由傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)逐漸向著自動化的方向發(fā)展，在投入使用后，因自動化控制系統(tǒng)的智能性，大幅度提升了提升作業(yè)的安全性、可靠性，以及穩(wěn)定性。

1 礦山提升機的現(xiàn)狀及問題

傳統(tǒng)的礦山提升機通常采用人工控制，存在安全性低、生產(chǎn)效率低、成本高等問題。同時，傳統(tǒng)的礦山提升機無法滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的需求，不能實現(xiàn)自動化控制和智能化管理。傳統(tǒng)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(guān)操作。在進行開關(guān)操作時，需要開關(guān)處于被激活狀態(tài)，但是因為在提升過程中會產(chǎn)生較多的粉塵，這就會在一定程度上對行程開關(guān)的啟動產(chǎn)生一定的影響，使得行程開關(guān)出現(xiàn)被卡死的情況，致使設(shè)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(xiàn)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(xiàn)堵轉(zhuǎn)、錯向的問題。這是因為現(xiàn)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(jīng)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(yè)的進程和效率。

3)線路老化

礦山提升機控制系統(tǒng)的運行依賴于接觸器以及繼電器等簡單的控制設(shè)備，正因為設(shè)備的簡潔性，導致使用質(zhì)量無法得到保障。而且因為設(shè)施設(shè)備使用年頭過長，極易出現(xiàn)線路老化亦或是設(shè)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(yè)的進程產(chǎn)生較為嚴重的影響。

4)非標準化零件

提升機制造時部分結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yè)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(tǒng)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(tǒng)升級。采用PLC等現(xiàn)代化控制技術(shù)，實現(xiàn)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(jiān)測礦山提升機的狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)故障并進行維護。

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

4)通信技術(shù)應用。通過物聯(lián)網(wǎng)等通信技術(shù)，實現(xiàn)礦山提升機的遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸，方便管理人員進行生產(chǎn)調(diào)度和設(shè)備維修人員的維護。

3 礦山提升機自動化系統(tǒng)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(tǒng)的精準度，使得礦山提升機能夠發(fā)揮最大的效用。

3.1 位置控制

礦山提升機的本質(zhì)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(xiàn)了較大的錯誤，位置高了或低了幾厘米，都可能發(fā)生事故。因此，對提升機進行改造時，更加傾向于使用PLC系統(tǒng)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(tǒng)實現(xiàn)控制。因為PLC系統(tǒng)具備較為強大的功能，能夠精準地控制系統(tǒng)，保證礦山提升機的精準性。而且，PLC系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)，以及上位機等設(shè)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(xiàn)數(shù)據(jù)的及時處理和采集，降低礦山提升機出現(xiàn)事故的概率。

3.3 全程控制

礦山提升機系統(tǒng)改造完畢后，安全性、可靠性都實現(xiàn)了大幅地提升。而且安置PLC系統(tǒng)后，還能實現(xiàn)對礦山提升機全過程的監(jiān)測，使得礦山提升機滿足現(xiàn)代化的要求。在安裝PLC系統(tǒng)后，通過主系統(tǒng)，礦山提升機能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)的監(jiān)測。首先，對礦山提升機每個提升過程的數(shù)據(jù)變化進行監(jiān)測，促使每個工作的開展都能夠具有精確的數(shù)據(jù)參照。其次，能夠在每個裝置的運行過程中，對運行狀態(tài)的變化進行實時監(jiān)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(xiàn)對信號的傳輸。PLC系統(tǒng)通過對以上數(shù)據(jù)的監(jiān)測，能夠為工作人員提供必要的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)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?shù)陌踩浴?/p>

4 礦山提升機自動化系統(tǒng)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(shè)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?qū)崿F(xiàn)對方向的控制，保證工程建設(shè)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(chǎn)生，保證提升機安全性；即便出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，也能有效規(guī)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(guī)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(xiàn)切斷動力制動的目的，實現(xiàn)對礦山提升機動力的調(diào)節(jié)，能夠?qū)ΦV山提升機二次供電。

4.4 電控減速開關(guān)

在礦山提升機應用過程中，主要采用的是磁性開關(guān)。通過傳感器對外界磁場的變化感應，實現(xiàn)對開關(guān)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(zhuǎn)，保證開關(guān)處于正常的工作狀態(tài)當中。而且在磁性開關(guān)當中采用一系列的綜合技術(shù)，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(wěn)定的技術(shù)支持。

5 礦山提升機系統(tǒng)改造關(guān)鍵技術(shù)

為了實現(xiàn)礦山提升機的自動化改造，需要掌握以下關(guān)鍵技術(shù)：

1)現(xiàn)代化控制技術(shù)?？删幊炭刂破鳌⒅绷麟姍C控制器和智能化管理，以提高生產(chǎn)效率和安全性。2)傳感器技術(shù)。安裝溫度、壓力、振動等傳感器，能夠?qū)崟r監(jiān)測礦山提升機的狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)故障并進行維護。3)計算機視覺技術(shù)。利用計算機視覺技術(shù)對礦山提升機運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，能夠檢測出異常情況并及時采取措施。4)通信技術(shù)。通過物聯(lián)網(wǎng)等通信技術(shù)，實現(xiàn)礦山提升機的遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸，方便管理人員進行生產(chǎn)調(diào)度和設(shè)備維修人員的維護。

6 礦山提升機系統(tǒng)改造技術(shù)及方案的應用

基于礦山提升機系統(tǒng)的改造計劃以及改造技術(shù)，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(tǒng)進行改造，以便完善提升機的監(jiān)控、報警，以及調(diào)節(jié)功能，促使其能夠與提升作業(yè)的生產(chǎn)要求相適應，使得提升作業(yè)的安全和效率得到保障。

6.1 提升系統(tǒng)

提升系統(tǒng)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(tǒng)的主要器件之一，能夠在接收到控制面板的命令后實現(xiàn)對交流接觸器的操控，從而保證變頻器以及驅(qū)動電機按照指令運行，時刻監(jiān)測提升作業(yè)時的狀態(tài)，并通過指示燈的變化對提升作業(yè)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(guān)、旋轉(zhuǎn)編碼器，以及制動系統(tǒng)的信息，并經(jīng)由網(wǎng)絡裝置將信息傳輸至接觸屏中，為作業(yè)人員提供參考數(shù)據(jù)。在對主電路進行改造時，需要應用PCL的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對各個線圈的控制。待至KM0線圈得電時，表示主體電路系統(tǒng)已經(jīng)處于準備工作狀態(tài)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(tài)能夠與提升狀態(tài)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(tài)進行調(diào)整，保證KM2線圈處于變電接觸器得電狀態(tài)。在線圈接觸點斷開和連接的狀態(tài)，通常與變頻器的聯(lián)結(jié)具有直接的關(guān)系，因此，當電動機運行時，通過對線圈的得失電狀態(tài)的調(diào)整，能夠?qū)崿F(xiàn)提升系統(tǒng)速度的提升，從而使得電氣與PCL程序?qū)崿F(xiàn)互鎖。

6.2 全數(shù)字調(diào)節(jié)

全數(shù)字調(diào)節(jié)系統(tǒng)作用在于，基于當前提升作業(yè)的需求為提升作業(yè)選擇合適的系統(tǒng)。例如，當進行控制傳動操作時，就需要啟動全數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)，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(diào)節(jié)和傳動。在該系統(tǒng)進行運作的過程中，為了保證運作的準確性，會依照參數(shù)實現(xiàn)對模塊的調(diào)節(jié)，以便提升機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩能夠達到相應要求。另外，在使用該系統(tǒng)的過程中，需要在電網(wǎng)允許的范圍內(nèi)，對電流波動進行監(jiān)測，從而提升系統(tǒng)的靜態(tài)速度，使得脈沖編碼器實時反饋設(shè)備的運行數(shù)據(jù)[3]。同時，該系統(tǒng)能夠利用網(wǎng)絡通信功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，使得各個調(diào)節(jié)器能自動優(yōu)化；通過對數(shù)字量以及模擬量的衡量，達到簡化系統(tǒng)操作的目的，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的最佳控制，保證提升機的運行安全，實現(xiàn)礦山提升機的自動化運轉(zhuǎn)，保證礦山提升機提升作業(yè)的安全。

6.3 主令控制器

利用旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及停止狀態(tài)下。利用控制手柄實現(xiàn)編碼器的手動控制，以便能夠?qū)⑿盘枩蚀_地傳輸至PCL端口。同時，利用手柄轉(zhuǎn)動角度以及方向的變化，實現(xiàn)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(zhuǎn)當中，從而使額定轉(zhuǎn)速能夠達到相應標準，達到提升作業(yè)的要求；主令位置的角度處于-45°時，電動機處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)，額定轉(zhuǎn)速達到80%左右，實現(xiàn)電動機運行狀態(tài)的控制。依照電動機容差，可以判斷出電動機額定轉(zhuǎn)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(yè)人員提示目前的運轉(zhuǎn)狀態(tài)。

6.4 模式選擇開關(guān)

模式開關(guān)的作用是通過旋轉(zhuǎn)開關(guān)實現(xiàn)模式的切換，從而適應提升作業(yè)的不同要求，進而實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制。①自動模式。在以前的系統(tǒng)提升作業(yè)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(zhuǎn)變?yōu)樽詣幽Ｊ胶螅麄€系統(tǒng)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(shè)標準。在處于加速階段時，機器的轉(zhuǎn)速能夠從零開始提速，達到峰值后，為了保證提升作業(yè)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(shè)備的檢修工作。依照提升作業(yè)的實際情況，運轉(zhuǎn)速度是需要進行隨時調(diào)整的，以便能夠?qū)⑻嵘鳂I(yè)的事故率降到最低。在運行速度處于較低的數(shù)值時，提升速度高于運行速度，如果在此高度上，設(shè)備沒有出現(xiàn)故障，則能夠?qū)χ髁羁刂破鬟M行變速以及變向處理。③緊急模式。在設(shè)備出現(xiàn)故障時，要想降低對提升作業(yè)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(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)需要PC端的支持，在組態(tài)軟件編寫的幫助下，經(jīng)由監(jiān)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(zhuǎn)速以及方向的控制，使得設(shè)備中鋼絲繩以及電動機的轉(zhuǎn)速和油溫都能夠處于監(jiān)控狀態(tài)，并在事故發(fā)生時對提升人員進行示警，保證提升作業(yè)的安全性。

7 項目收益

7.1 節(jié)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(tǒng)間可以信息交流，減少了提升機每天的空運轉(zhuǎn)，每班減少時間在 60 min 以上。提升機系統(tǒng)的總功率為 550 kW，則每天可以節(jié)約用電達 1600 kW·h 以上。按照工業(yè)用電平均價0.7元/kW·h，則每天節(jié)約近1200元。據(jù)此計算，每年節(jié)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(shù)據(jù)、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(shù)人員提供了判斷故障的依據(jù)，極大地減少了停機時間，直接提高了生產(chǎn)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(tǒng)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(chǎn)生的人工成本節(jié)約非?？捎^。

8 結(jié)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(guān)鍵技術(shù)。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?qū)崿F(xiàn)自動化控制、智能化管理和遠程監(jiān)控，大大提高了生產(chǎn)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(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等高科技的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)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(chǎn)效率、更低的能耗、更高的自動化程度等，為礦山安全生產(chǎn)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(yè)的自動化、智能化和數(shù)字化的進程。