关键词：PLC；矿山；设备；控制

Abstract: Yanzhou mining area for mine equipment originally in the application of PLC (programmable logic controller) problems, actively with relevant units to research and application of the PLC new technology, effectively improve the security and reliability of mine equipment.                  

Key words: PLC; Mine; Equipment; Control

【中图分类号】TN4 【文献标识码】B  【文章编号】1561-0330（2018）04-0000-00

1 引言

PLC（可编程序控制器）因其采用模块化组合结构、使系统组合十分灵便，抗干扰能力强、可靠性强，编程语言简易、普及和编程方便，可以在线进行修改、柔性好等特点，在工业现场已被广泛地应用于各行各业的开关逻辑控制、机械设备的数字控制、机器人和自动装置的控制，闭环过程控制以及多级自动控制系统。近几年来，兖州矿业（集团）有限责任公司及其下属各矿针对以前在矿井设备应用可编程序控制器方面存在的问题进行了认真分析和归纳，与有关单位合作开展研究，积极应用当前已有的可编程序控制器应用新技术，提出解决方案并进行了推广与实施，有效地保障了矿井设备的可靠运行，取得了良好的效果。

2 矿井数控提升机PLC的可靠性研究

由于当今在国内外可编程控制器设计中全面引入计算机技术，使其适应各种恶劣的运行环境，具有更强的抗干扰能力及与用户连接的适应性，尤其是提高了控制的安全可靠性，利用可编程控制器改造现有矿井提升机的电控系统现在已经被广泛重视。中国矿业大学和兖州矿业（集团）有限责任公司使用可编程控制器来改造现有的矿井提升机电控系统，进行数控提升机可编程控制器的可靠性研究，在数字化提升机控制系统开发过程中总结出系统可靠性设计要点，使其具有更强的抗干扰能力伙计与用户连接的适应性。

（1）工业环境的特点

数控提升机可编程控制器使用的环境存在电磁场，有时上百米长的强电电缆和PLC信号电缆不能有效地分隔开，甚至只能敷设在同一条电缆沟内，高电压、大电流接通和断开时产生的强电干扰可能会在PLC输入线上产生很强的感应电压和感应电流，足以使PLC输入端光电耦合器中的发光二极管发光和光电耦合器的抗干扰作用失效，导致PLC产生误动作。导致PLC故障可能有很多方面。有1个煤矿的提升机到位开关（后期检查开关也正常，信号可能来自长距离传输电缆的干扰）出现误动作，导致PLC的程序实现位置同步，从而开错车、重物下放导致过卷事故。还有1个煤矿的主、从PLC之间出现通讯故障，经过检查是通讯板被烧毁，原因是由于接地不良从而产生高电压造成。

（2）系统可靠性设计要点

可编程控制器系统的故障包括外部设备故障、系统故障、硬件故障和软件故障。此项研究指出：

①在安装与布线方面，可编程控制器应当远离大功率的可控硅装置、高频焊机和大型动力设备等干扰源；I/O线与控制线应当分开走，并且保持一定的距离；电缆沟内要把动力线与控制线分别敷设在电缆沟两侧，测温电缆要用屏蔽线，而且接地良好。

②输入端或输出端接有感性负载元件的时候，应在两端并联续流二极管或阻容电路，以抑制电路断开时产生电弧对可编程控制器的影响；当井筒接近开关、光电开关等两线式传感器的漏电流较大时，可能出现故障的输入信号，可在输入端并联旁路电阻，以减小输入电阻。

③可编程控制器应当与其它设备分别使用自己的接地装置，也可以采用公用的接地线，但是禁止使用串联接地的方式，因为这种接地方式会在2个设备之间产生电位差。

④提升机对于控制系统有比较高的可靠性要求，在可编程控制器出现故障的时候采用冷备系统，即主控可编程控制器和辅控可编程控制器尽量一致，以满足紧急运行时投用。

⑤供电部分应当考虑几个因素：输入电源电压在一定的允许范围内变化；输入交流电断电的时候，应当不破坏控制器的程序和数据；在控制系统不允许断电的场合，要考虑供电电源的冗余；当外部设备电源断电的时候，应当不影响控制器的供电；要考虑电源系统的抗干扰措施。他们采取使用不间断供电系统、双路供电系统、隔离变压器供电系统、单独电源给每一个可编程控制器供电或者选用高质量的直流电源等方案来提高控制系统的可靠性。

3 PLC在矿井通风机智能变频控制的应用

可编程控制器是目前应用广泛的一种工业自动化智能控制装置，它集逻辑控制、模拟量处理、数据运算等功能于一体，具有高稳定和强抗干扰能力。兖州矿业（集团）公司杨村煤矿和济南煤炭科学研究所将可编程序控制器成功地应用于该矿南、北风井主通风机的自动化变频系统，运行稳定可靠、调速平滑方便；在风量需求减少的情况下节约电费110万元/a，并且实现包括前导器、风门在内的全自动化操作；与国内使用单片机、工控机进行改造的类似项目相比，无论是可靠性还是参数变更的灵活性方面都具有很大的优越性，可以广泛地应用于矿井主通风机的智能改造。

（1）控制系统

①工作原理。为确保该矿主通风机运行安全可靠，主回路设计为低频主回路和工频主回路2个部分。低频部分由1台VF61型智能变频器和2台ABB型低频接触器组成，是主通风机的主运行回路。工频部分由2台工频降压启动器组成，作为低频系统的后备回路，用以低频系统发生故障时降压启动并全速运行主通风机。

②系统组成。此系统以华光电子工业有限公司SU-6B工业可编程序控制器为控制核心、日本东洋株式会社VF61-2004智能变频器为执行核心的机电一体化成果。控制系统由5部分组成：SU-6B工业可编程序控制器由CPU、高速计数模块、A/D模块、D/A模块、I/O模块组成，用以完成系统的自动控制和智能保护；风量传感器将主通风机风量信号送至PLC的A/D模块，用以实现系统的风量闭环控制；风门绞车轴编码器将风门行程转化为数字信号送至PLC高速计数模块，用以实现风门绞车的精确行程控制；电流变送器将电动机电流信号进行数模转换后送至PLC的A/D模块，用以实现主通风机的过流保护；主通风机前导器电动执行机构由PLC控制自动开启与关闭通风机的前导器。

（2）主要功能

①系统自动化控制。PLC接到运行指令时，判断运行机号（1#或2#）和系统运行方式（工频或低频）。如果是低频方式则驱动低频接触器吸合，延时0.5s发出变频器运行令，电动机由零频率加速启动至设定频率，PLC控制风门绞车开启主通风机进风门及驱动前导器执行机构打开主通风机前导器，使主通风机进入工作状态。如果为工频方式则PLC控制主通风机降压启动，当启动电流降至设定值时停掉降压启动接触器，吸合运行主接触器，主通风机转入全速运行状态，30s后风门及前导器自动打开。

②风量闭环控制。主通风机低频运行时，风量由给定信号控制。这个信号与风量传感器反馈信号同时进入PLC的A/D模块，经CPU比较调节后，输出信号由D/A模块送至VF61型智能变频器的频率设定接口，调节变频器输出频率，从而改变主通风机转速，实现系统风量的闭环控制。

③主通风机低频故障转换。在主通风机低频运行时，PLC自动检测变频器的运行情况，当变频器出现故障时自动切除低频系统，使主通风机转入工频运行。

④电动机过流保护。电动机变送器将低频或者工频主回路的电流信号转换之后，送入CPU的内部功能存贮器。CPU在每个扫描周期将此数据与内部电流设定值进行比较，超过设定值即实行保护。

⑤风门行程精确控制。PLC开闭主通风机风门时，安装在风门绞车主轴上的轴编码器将风门行程转换为数据信号送至高速记数模块，待其将此信号译为BCD码后存入内部存储器。CPU在每个扫描周期将BCD数据与行程设定值比较，超出设定值即停车。

4 以PLC为核心的空气压缩机群组微机监控

空气压缩机是煤矿生产的重要动力设备之一。由兖州矿业（集团）公司杨村煤矿和山东省煤炭科学研究所共同研制的以PLC为核心的空气压缩机群组微机监控系统，彻底解决了以单片机或工业控制机为核心的空气压缩机微机监控系统数据测试不准、整机抗干扰能力差、不能适应现场环境条件的问题；以其良好的性能与准确、稳定的数据在线监测，完善了空气压缩机运转过程中的安全保护。经过使用证明，此系统软件和硬件设计合理、功能齐全、性能良好、可靠性高、用户使用方便，对提高空气压缩机运行的自动化水平和管理水平发挥了极其重要的作用。

（1）系统构成

国内运行的空气压缩机大都采用一般的继电器控制，其监控、保护的技术水平低下，不能够达到《煤矿安全规程》对空气压缩机运行的规定要求，因而故障率高、维护量大，矿井的安全高效生产得不到有效的保证。虽然有些矿井采用了空气压缩机自动控制及微机控制技术，但是由于所选机型或者采取的技术措施不能够适应煤矿空气压缩机房的特殊生产环境，安装不久就失去了它应有的效能而不能够正常使用。

新研制的空气压缩机群组微机监控系统主要是由监控柜和安装在其内部的系统主机SU-6B可编程控制器、噪声滤波器、线性电源、OMRON继电器、传感器专用数显仪表以及安装在各个测点的温度传感器、压力传感器、RVVP电缆等组成的。温度变送器、压力变送器、断水装置实时采集现场信号，送到可编程控制器各相关模块，由CPU进行处理，经传感器专用数显仪表实时监测、显示设备的工作状态与参数值。

（2）主要功能

①温度监测与保护。根据需要实时监测空气压缩机运转过程中的一级排气温度、二级排气温度、风包温度、润滑油温度、冷却水温度、电动机定子温度等技术参数，并且可以实现超限声、光报警及设备的安全保护。

②压力监测与保护。根据需要实时监测空气压缩机运转过程中的一级排气压力、二级排气压力、风包压力、润滑油压力、冷却水压力等技术参数，并且可以实现超限声、光报警及设备的安全保护。

③断水指示与保护。空气压缩机运转过程中出现断水的时候，监控系统可以快速报警，并且对设备进行安全保护。

④电参数监测与保护。可以实现在空气压缩机运转过程中对工作电压、电流以及功率因数的数据监测与保护，为生产管理提供依据。

⑤空气压缩机群组集中控制。由可编程序控制器完成空气压缩机群组（3台、4台或者多台）的集中控制。

（3）主要特点

①主机采用进口原装可编程控制器，整机稳定可靠，抗干扰能力强；其模块化结构与简单易懂的编程语言，便于现场维护。

②采用高精度温度、压力变送器及传感器专用数显仪表、线性电源对AD/DA模块供电、“一对一”屏蔽电缆接线等技术。

③系统具备集中控制、参数自动巡检（巡检时间间隔由用户自由设定）与手动检测的功能，而且具有运行指示、告警指示、消音、复位等项功能。

④整机硬件配置合理，软件结构化设计，性能价格比高；面板PVC工艺制作、外形美观漂亮。 

5 PLC在矿山空气风缩机集中监控的应用

兖州矿业（集团）公司兴隆庄煤矿与山东省煤炭科学研究所合作，采用SU-6B可编程控制器对4台空气压缩机进行集中监测与控制改造，通过对现场出现的问题不断进行持续调整，达到了基本完善的集中监测与控制功能。

该矿工业广场的空气压缩机房布置4台L8/60-7空气压缩机，采用同步电动机直联拖动，励磁柜供励磁电源。每台空气压缩机采用9路开关量、7路模拟量信号输入、7路开关量输出。水温与水压设计成4台机公用，模拟信号传输电缆采用屏蔽电缆，输出数据采用4台机公用显示，定期扫描巡检输出，带手动自锁巡检按钮，便于司机抄表。系统具有故障记忆功能，在声光告警状态下，自动记忆并锁定故障车号及故障状态参数，以便分析，按下“复位按钮”方可恢复系统自动运行。为了确保设备在可编程控制器及故障检修状态下运行，设置了手动控制系统与可编程控制器系统相互切换，手动控制与改造前的控制功能相同。由于压风机启动、停车都按程序进行，必须先卸荷、放风使空气压缩机空载然后再停车，故将方式开关作为紧急停机开关信号引入。

在软件上加了紧急停车回路，按照《煤矿安全规程》的要求，将停水、断油、超温与紧急停车开关组合成紧急停车回路，确保故障状态或紧急情况下人为紧急带负荷停车，防止事故蔓延。由于卸荷打风的压力传感器都是专用的，每台机的打风卸荷受各自传感器控制，而传感器都装在各自的风包上，风包排气管路又相互联结在一起，就使较灵敏的压力传感器先动作，打风卸荷交替运行，而不灵敏的传感器基本上不动作，总处在满负荷工作状态。为此，将程序作了修改，使一台机连续运行一定时间后自动卸荷，直到风压降到下限，再投入运行。

6 用PLC实现选煤厂设备起车前故障检测

兖州矿业（集团）公司济宁三号煤矿选煤厂采用可编程序控制器控制选煤厂设备起车前的故障预检测，保证全部设备一次起车成功，成功率几乎达到了100%，取得了良好的效果。

这个厂的设备均采用集中控制方式。在起车过程中，只要其中有一台设备发生了故障，其余的设备就必须全部停车检修，而且要待到所有设备均无故障后才能再次起车。由于选煤厂的设备数量多达数百台，因而起车的过程经常需要重复好几次，不仅严重影响了正常生产秩序，还造成了设备的空运转磨损，浪费了电能消耗。为此，他们采用可编程序控制器对设备进行起车前的故障预测。此项改造完成后，开车前由可编程序控制器对电动机的二次控制回路进行故障检查，检测接点被串入集中控制起车信号回路和电动机控制回路中。在设备完好状态下，检测接点是闭合的，设备有输入信号，此时即可以起车；当设备有故障时，检测接点则是打开的，这时设备没有输入信号，立即可找出故障。常见故障有漏电继电器、热继电器、综合保护器等跳闸及停止按钮按下后没有复位等。

运行实践表明，这项改造成果的预检测功能是相当可靠的，经济效益和社会效益均非常显著。行家们对济宁三号煤矿选煤厂应用可编程序控制器实现全厂设备起车之前的故障预检测的成果给予了极高的评价，希望能够尽快地在更大的范围得到推广。

7 PLC在鲍店选煤厂集控系统的应用

兖州矿业（集团）公司鲍店煤矿选煤厂的控制系统采用底层PLC系统与上位机监控相结合的模式，以数据量逻辑控制为主，配以少量工艺过程参数的模拟量检测监视，用于实现工艺流程系统设备的集中启、停车控制和运行过程中的连锁控制，并且具有工艺过程参数的闭环控制系统，达到国内同行业中的先进水平。

（1）我国选煤厂控制系统状况

国内选煤厂的控制系统目前绝大多数采用底层PLC系统与上位机监控相结合的模型，以数据量逻辑控制为主，配以少量工艺过程参数的模拟量检测监视，用于实现工艺流程系统设备的集中启、停车控制和运行过程中的连锁控制。有部分选煤厂具有工艺过程参数的闭环控制系统，主要选用美国AB公司、施耐德公司、GE公司和德国西门子公司的产品。目前国内使用较多的PLC有美国施耐德、AB、GE和德国西门子的系列产品。上位计算机一般为美国INTEL或台湾研华工控机。由于控制系统成本因素的影响，国内选煤厂控制系统的输入、输出点数一般配置较少，并采用硬接线与软件配置相结合的结构。兖州矿区选煤厂控制系统的情况在国内属于配置较高的，使用的大多是高性能PLC，东滩煤矿选煤厂和南屯煤矿选煤厂采用施耐德PLC，济宁二号煤矿选煤厂采用GE90-70，鲍店煤矿选煤厂原先的集控系统为SIMETIC T1545、配煤系统为SIMETIC S70-300。

（2）选煤厂集控系统理论依据

高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。使用PLC构成控制系统，电气接线及开关接点比同等规模的继电接触器系统减少到数百甚至数千分之一，故障大为降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息；在应用软件中还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护，整个系统具有极高的可靠性。正是由于PLC具有上述优点，在选煤厂的集中控制中发挥着不可估量的作用。

选煤厂集控系统是指选煤工艺对设备进行顺序控制及监控其运行状态的集中控制，实现调度指挥生产自动化、工艺流程自动控制及单机自动控制。网络技术与工控技术的飞速发展，为选煤厂集控系统技术实现提供有力的理论依据。这个系统将原有控制系统全部更新，使用工业以太网及现场总线技术实现生产集控系统的通讯，所用技术具有成熟、可靠、易于扩展。选煤厂工控主机采用计算机分布式控制系统，使用施耐德PLC系统，采用工业以太网现场总线Modbusplus方式通讯。整个生产系统网络配置为双层网络结构网络，第一层是由上位机和PLC主机构成的分布式网络，第二层是由PLC主机和其分布站构成的分布式网络。此系统选用施耐德Quantum系列PLC，具有数字量处理能力的专用计算机系统。Quantum具有模块化、可扩展的体系结构，用于工业和制造过程的实时控制。

（3）选煤厂集控系统开发原则

①可靠性原则。集控系统的可靠性通过以下几方面进行保证，集控系统的电源为2路供电，2路实现无扰切换，且有UPS电源，保证系统运行的可靠性；增加辅助检测点及故障诊断软件，提高故障判断的及时性和准确性，极大减少误判断和误操作；软件设计方面也提高了系统的可靠性，如报警装置、监测信号等扩展。

②先进性原则。这个系统采用目前流行的工业以太网局域网和Modbusplus通讯系统，PLC也采用原装进口施耐德Quantum系列PLC，使用的组太软件为Intuch6.0，PLC软件编程器为ModsoftV2.51，保证技术上的先进性；集控系统功能齐全，各项检测、与报警完善；操作简单，各种监视图形、指标完备。以保证功能上的先进性。

③可扩展性原则。施耐德Quantum系列PLC为开放的、基于标准的网络连接和现场总线连接等要求提供选择，具有简单的高性能的通讯系统，模块化易于扩展，可通过模块与多种网络通讯。

（4）鲍店煤矿选煤厂集控系统

①系统的整体框架。鲍店煤矿选煤厂集控系统整体分为原煤重介选矸系统、筛分系统、储装运系统、跳汰（水洗）系统、捞坑系统、沉降离心脱水系统、除木杂系统及压滤车间监控系统。目前集控系统分为3个操作站：调度室操作洗煤系统的跳汰（水洗）系统、捞坑系统、沉降离心脱水系统；原煤集控室操作原煤系统的重介选矸系统、筛分系统；储运集控室操作储装运系统；压滤车间设备仅在模拟盘上显示。3个集控室有各自的PLC主机互不通讯，版本不一。改造后的新集控系统将洗煤、压滤与储运系统合为1台PLC主机，原煤车间单独1台PLC主机，2台主机不直接通讯，系统通过上位机通讯互访。

②控制方案设计。鲍店煤矿选煤厂选用施耐德140系列PLC系统，主机选用CPU11303中央处理单元，具有512K字节RAM、MODBUS、MODBUSPLUS接口。与现场设备状态检测及控制电路相连的部分采用MODBUSPLUS工业总线结构的分布式控制系统，在厂调度室和原煤车间分别设置独立的PLC主机站，在主厂房洗煤车间9PD、10PD和5PD-1配电室、原煤车间3PD、重介二楼与三楼配电室、筛分车间配电室、原煤1#变电所、储运集控5PD-1、原煤2#变电所、块煤仓下、原煤仓下、压滤车间配电室设置分布站，除原煤车间3PD、重介二楼与三楼配电室、筛分车间配电室和原煤1#变电所分布站由原煤系统PLC控制，其余分布站均由厂调度室PLC控制。

③PLC主站及网络拓扑结构。根据选煤厂工艺流程设备的控制需求及系统运行的可靠性要求，在水洗和原煤系统分别设置1套PLC，在配电设备较为集中的配电室设置PLC分布站，利用MB+工业网络构成2套PLC分布式控制系统。在选煤厂调度室、原煤车间、储运车间分别设置上位机监控操作站，在2套PLC主机站和上位机监控操作站之间建立上层MB+网络，实现信息共享。

8 提高PLC控制系统可靠性的措施

可编程控制器在选煤厂已得到广泛应用，但由于各种原因造成控制系统可靠性低。兖州矿区职工大学通过原因分析，从软硬件及安装使用等方面提出一些措施，有效地提高可编程控制器的可靠性。

（1）设计完善的故障报警系统

在自动控制系统中设计三级故障报警系统。一级设置在控制现场的各种控制面板上，用指示灯指示设备正常运行和故障情况。二级故障显示在中心的控制大屏幕监视器上，设备出现故障时有文字显示故障类型，工艺流程图上对应设备闪烁。三级故障显示在中心控制室信号箱内，出现故障时信号箱声光报警，提示及时处理。

（2）提高输入信号可靠性

①硬件。选用可靠性较高的变送器和开关，防止各种原因引起的传送线路短路、断路或接触不良。

②软件。在程序设计中加数字滤波程序，增加输入信号的可靠性；现场输入触点后加一定时器，其定时时间根据触点抖动情况和系统要求及相应速度确定，保证触点稳定闭合后才有其它响应；模拟信号滤波采用下法：对现场信号连续采样3次，其间隔由A/D转换速度和模拟信号变化速度决定，去掉最大、最小值，保留中间值存放在数据寄存器中；程序设计时可利用信号间关系判断信号可靠程度，如贮罐上下液位保护的开关动作发出信号给可编程控制器，将此信号与液位计信号对比正确说明真实，反之可能极限开关故障或传送信号线路故障；系统功能表上有时不出现互锁，但为了提高可靠性在编程时必须加以互锁。

（3）执行机构

负载由接触器控制时，启动或停止这类负载转为对接触器线圈控制，吸合、释放可靠；开启或关闭阀门时，关闭时间根据阀门开度而不同，设延时又检测不到开或关到位的信号，如信号不能准确返给可编程控制器则阀门可能有故障。

（4）安装、布线采取抗干扰

PLC的电源、I/O电源一般采用不带屏蔽层的隔离变压器供电，在较强干扰源环境中使用时接地截面积不小于2mm2，接地电阻不大于100kΩ，接地线采用独立接地方式；可编程控制器电源线、I/O电源线、输入信号线、输出信号线、交流线和直流线尽量分开布线，开关量信号、模拟量信号要分开布线，模拟量和数字传输线采用屏蔽线并屏蔽接地。

9 结束语

可编程控制器（PLC）从其产生到现在，实现了接线逻辑到存储逻辑的飞跃；其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制及集散控制等各种任务的跨越。今天的PLC在处理模拟量、数字运算、人机接口和网络的各方面能力都已大幅提高，成为工业控制领域的主流控制设备，在各行各业发挥着越来越大的作用。

随着PLC应用技术的不断拓宽，如何高效可靠的使用PLC也成为其发展的重要因素。在现代化煤矿的生产建设中，PLC会有更大的发展。通过完美的人机界面、完备的通讯设备会更好地适应各种控制场合的需求，PLC作为自动化控制网络重要组成部分，将会在选煤控制领域发挥越来越大的作用。

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