1 數控提升機可編程控制器的可靠性研究

    中國礦業(yè)大學和兗州礦業(yè)（集團）有限責任公司使用可編程控制器來改造現有的礦井提升機電控系統，進行數控提升機可編程控制器的可靠性研究，使其具有更強的抗干擾能力伙計與用戶連接的適應性。

    可編程控制器系統的故障包括外部設備故障、系統故障、硬件故障和軟件故障。

    此項研究指出：

    ①安裝與布線方面，可編程控制器應遠離大功率的可控硅裝置、高頻電焊機和大型的動力設備等干擾源；I/O線與控制線應分開走，并保持一定距離；在電纜溝內把動力線與控制線分別敷設在電纜溝的兩側，測溫電纜要采用屏蔽線，而且要接地良好。

    ②輸入端或輸出端接有感性負載元件時，應在兩端并聯續(xù)流二極管或阻容電路，以抑制電路斷開時產生的電弧對可編程控制器的影響；當井筒接近開關、光電開關等兩線式傳感器的漏電流比較大時，可能出現故障的輸入信號，可在輸入端并聯旁路電阻，以減少輸入電阻。

    ③可編程控制器應與其它設備分別使用自己的接地裝置，也可采用公用接地線，但禁用串聯接地方式，因為這種方式會在設備間產生電位差。

    ④提升機對控制系統有較高的可靠性要求，在可編程控制器出現故障的時候采用冷備系統，即主控可編程控制器和輔控可編程控制器應盡量一致，以滿足緊急運行時可投入使用。

    ⑤供電部分應考慮幾個因素：輸入電源的電壓在一定允許范圍之內變化；輸入交流電斷電時，應不破壞控制器的程序和數據；在控制系統不允許斷電的場合，要考慮供電電源的冗余；當外部設備電源斷電時，應不影響控制器的供電；要考慮到電源系統的抗干擾措施。他們采取了使用不間斷供電系統、雙路供電系統、隔離變壓器供電系統、單獨電源給每一個可編程控制器供電或選用高質量的直流電源等方案來提高控制系統可靠性。

    2 采用可編程控制器改造礦山老舊提升機

    兗州礦業(yè)（集團）有限責任公司從鮑店煤礦開始研究在保留提升機機械部分和直流主電機的基礎上，采用大功率晶閘管變流器和可編程控制器來改造老舊提升機的原繼電器控制，走出了一條可行之路。

    其實施步驟如下：

    ①整體搬移原有操作臺，為新操作臺安裝創(chuàng)造條件，提升機改造期間臨時在搬移到一邊的原操作臺操作，但仍以老系統運行。

    ②在電樞回路上安裝新舊系統轉換刀閘，以便新老系統轉換。提升機制動系統潤滑油泵控制采取多路航空插頭進行新老系統切換，老系統可在新系統調試期間與之并存，互為備用。以后有必要的話可永久保留。

    ③在安裝中嚴格質量控制，指定將來參與維護的技術熟練人員進行安裝，通過全程參與為調試完成后轉入正常運行和維護創(chuàng)造條件。

    ④為縮短新系統調試時間，對井筒位置開關與行程、各個機械潤滑制動系統狀態(tài)等提升系統電控監(jiān)測量，在傳感器安裝完后進行在線送電測試，校準每個測量參數，保證與提升系統實際相對應。老系統提升時逐步在計算機中檢驗每一部分持續(xù)的運行過程，保證提升系統能一次性無誤地實現切換。

    ⑤完成裝卸載系統在線調試后利用老系統提升，但提升機裝卸載站由新系統中可編程控制器系統控制。采用新老系統混合控制的方式使裝卸載及提升信號系統控制一次性投入成功，減少了新系統全面調試工作量。

    ⑥在傳動回路中，電流閉環(huán)和速度、位置閉環(huán)是最關鍵的部分，其正確與否直接關系和影響到閉環(huán)系統的穩(wěn)定性。他們利用每天兩個小時的日檢修時間對這些環(huán)節(jié)進行編碼器輸出試驗和電樞回路電流環(huán)控制的動態(tài)試驗，確定系統的動態(tài)響應各參數，為全系統空載和重載測試運行創(chuàng)造條件。

    ⑦利用全礦井機電設備停產兩天的檢修時間直接一次性進行全系統空載試運行，經過數次提速后達到了設計運行速度。系統運行平穩(wěn)和準確后再進行裝煤重載運行試驗，最后實現全載全自動方式的提升。

    3 KZP型盤式可控制動裝置在下運膠帶機的應用

    兗州礦業(yè)（集團）公司濟寧三號煤礦在五采區(qū)的下運膠帶輸送機中加設了KZP系列盤式可控制動裝置，配合可編程控制器實現了對下運膠帶輸送機的軟制動。

    KZP系列盤式可控制動裝置是機電液一體化設備，由制動裝置、液壓站以及配套電控系統組成。盤式可控制動裝置的制動力矩是由閘瓦與制動盤摩擦而產生的，調節(jié)閘瓦對制動盤的正壓力即可改變制動力，而制動器的正壓力又與液壓系統的控制油壓成比例。機械設備正常工作時油壓達到最大值，此時正壓力為0，閘瓦與制動盤之間留有1～1.5mm間隙，即制動閘處于松閘狀態(tài)。機械設備需要制動時，電液控制系統就會根據工況發(fā)出控制的指令，使制動裝置按照預定的程序自動減小油壓以達到制動的要求。盤式可控制動裝置在環(huán)境溫度為40℃時每小時制動10次，盤面的最高溫度遠小于150℃，而且無火花產生。與電控裝置相互配合，可以使大型機械設備的停車減速度保持在0.05～0.3m/，在系統突然斷電時仍能確保大型機械設備（尤其是帶式輸送機）平穩(wěn)地減速停車。其液壓控制系統采用雙回路結構，兩個回路完全對稱，可以互為備用。一般依靠蓄能器工作的制動閘就可以實現對下運帶式膠帶輸送機的軟制動。

    KZP系列盤式可控制動裝置的主要特點體現在“可控”上。通過主驅動電動機的輸出軸以及膠帶輸送機上的速度傳感器來讀取電動機轉速及膠帶速度。重載時下運膠帶有時會出現“飛車”的現象，這個時候就要由可編程控制器監(jiān)測速度傳感器的數據。當得到的速度大于正常運行設定值時，由可編程控制器減小制動閘電液比例閥的供電電流，從而減小制動系統的油壓，制動系統施閘使得制動閘瓦貼近制動閘盤為膠帶減速。當膠帶速度降至正常值以下時，可編程控制器再按照預先編制的程序增大制動閘電液比例閥的電流，使得閘瓦打開，實現了制動閘的動態(tài)可控運行，保障了膠帶輸送機的正常運轉。

    4 井下風門實現自動啟閉

    兗州礦業(yè)（集團）公司東灘煤礦和山東省煤炭科學研究所開展了井下風門自動控制的研究，通過井下風門的特殊結構，由遠紅外傳感器對來往的車輛進行動態(tài)檢測，同時利用可編程控制器實現井下風門的自動開啟和關閉，保障了車輛和行人的安全。

    現在井下使用的風門均是由人工操作的。由于負壓大，開門的操作力相當大，不僅開啟、關閉十分不便，而且極其容易損壞風門。這項研究的技術關鍵在于先開窗口然后開門。風門兩側的空氣有著一定的壓差，由于風門的面積很大，一般風門的開啟壓力為30～50kg。但是當風門已經有了比較小的開啟時，這個壓力就會銳減到5kg以下。為了減小開啟的壓力，他們在風門上設置一個窗口。因為窗口的面積比較小，其開啟壓力只有10kg左右。窗口打開以后，風門內外兩側的壓差立刻大為減小，有效地減小了開啟機構的強度和汽缸的操作力。

    此項成果工作原理如下：當風門需要開啟時，控制信號傳送給了二位五通雙控電磁閥，電磁閥打到供氣位置，汽缸的活塞帶動行走部分向外運動，隨即打開設在風門上的小窗。當小窗開啟到與風門夾角成30時，小窗就會被固定銷擋住，無法繼續(xù)打開，而行走支點繼續(xù)向前移動，從而帶動風門開啟。由于風門上的小窗已經打開，風門內外的壓差基本消失，所以風門很容易就可以開啟。當風門開啟角達到90時自動停止動作，車輛和行人可以通行。當風門需要關閉時，控制信號傳輸到二位五通雙控電磁閥使其換向，控制壓氣進入汽缸的另一端，汽缸的活塞帶動行走部分向回移動，先是小窗被關嚴，然后帶動風門轉動，直到風門完全被關嚴為止。

    專家們認為：此項成果有效地解決了風門開關不便的難題，可以防止風門撞車事故的發(fā)生，值得大力推廣使用。

    5 可編程控制器在通風機自動化變頻控制中的應用

    兗州礦業(yè)（集團）公司楊村煤礦在山東科技大學的協助下，成功地將可編程序控制器應用于南風井和北風井的主通風機自動化變頻系統，運行穩(wěn)定可靠、調速平滑方便，而且實現了包括前導器和風門在內的全自動操作，由于其結果使得礦井的風量需求減少而全年節(jié)約電費110萬元。

    該系統是以可編程序控制器為控制核心、智能變頻器為執(zhí)行核心的機電一體化成果。為了確保通風機的運行安全，主回路設計為兩部分：低頻部分由1臺VF61-2004智能變頻器和2臺ABB型低頻接觸器組成，是通風機的主運行回路；工頻部分由2臺降壓啟動器組成，作為低頻系統的后備回路，用于低頻系統發(fā)生故障的時候降壓啟動并且全速運行通風機。

    控制系統由5部分組成：SU-6B工業(yè)可編程序控制器完成系統的自動控制和智能保護、風量傳感器實現系統的風量閉環(huán)控制、風門絞車編碼器實現風門的絞車精確行程控制、電流變送器實現通風機的過流保護、前導器電動執(zhí)行機構由可編程序控制器控制自動開啟和關閉通風機的前導器。

    通風機的風門控制和風量閉環(huán)是程序設計的關鍵點。①在通風機運行過程中，如果風門的開、關過位，則有可能造成風門絞車斷電或者對風門造成損壞；如果開、關不到位，則會引起漏風從而影響通風機的效率。因而，除了在系統的硬件設計中給予了充分的重視之外（采用TRD1000型軸編碼器），軟件的設計也作了周密的考慮。②風量閉環(huán)的質量直接影響到礦井的通風質量甚至通風安全，所以在軟件設計中采用了PD調節(jié)的方式，以保證閉環(huán)的質量。

    實踐表明：此項成果與國內使用單片機和工業(yè)控制機進行改造的類似項目相比較，無論是在可靠性還是參數變更的靈活性方面都具有很大的優(yōu)越性，可以廣泛地應用于礦井主通風機的自動化改造。

    6 空氣壓縮機群組的微機監(jiān)控系統

    由兗州礦業(yè)（集團）公司楊村煤礦和山東省煤炭科學研究所研制的以可編程控制器為核心的空氣壓縮機群組微機監(jiān)控系統，徹底解決了以單片機或者工業(yè)控制機為核心的空氣壓縮機微機監(jiān)控系統數據測試不準以及整機抗干擾能力差的問題，完善了空氣壓縮機在運轉過程中的安全保護。

    空氣壓縮機是煤礦生產的重要動力設備之一。國內目前運行的空氣壓縮機大都是采用一般的繼電器控制，其監(jiān)控與保護的技術水平低下，不能夠達到《煤礦安全規(guī)程》對空氣壓縮機運行的規(guī)定要求，因而故障率高、維護量大。雖然有些礦井采用了空氣壓縮機自動控制以及微機控制技術，但由于所選機型或采取的技術措施不能適應煤礦空氣壓縮機房的特殊生產環(huán)境，安裝不久就不能正常使用。新研制的空氣壓縮機群組微機監(jiān)控系統由溫度變送器、壓力變送器、斷水裝置實時采集現場信號，送到可編程控制器各相關模塊，由CPU進行處理，經傳感器專用數顯儀表實時監(jiān)測、顯示設備的工作狀態(tài)與參數值，具有溫度監(jiān)測與保護、壓力監(jiān)測與保護、斷水指示與保護、電參數監(jiān)測與保護、空氣壓縮機群組集中控制等功能。

    其主要性能特點是：①主機采用進口原裝可編程控制器，整機穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強；其模塊化結構與簡單易懂的編程語言，便于現場維護。②采用高精度溫度、壓力變送器及傳感器專用數顯儀表、線性電源對AD/DA模塊供電、“一對一”屏蔽電纜接線等技術。③系統具備集中控制、參數自動巡檢（巡檢時間間隔由用戶自由設定）與手動檢測的功能，且具有運行指示、告警指示、消音、復位等項功能。④整機硬件配置合理，軟件結構化設計，性能價格比高；面板PVC工藝制作，外形美觀漂亮。

    7 PLC在礦山空氣風縮機集中監(jiān)控中的應用

    兗州礦業(yè)（集團）公司興隆莊煤礦與山東省煤炭科學研究所合作，采用SU-6B可編程控制器對4臺空氣壓縮機進行集中監(jiān)測與控制改造，通過對現場出現的問題不斷進行持續(xù)調整，達到了基本完善的集中監(jiān)測與控制功能。

    該礦工業(yè)廣場的空氣壓縮機房布置4臺L8/60-7空氣壓縮機，采用同步電動機直聯拖動，勵磁柜供勵磁電源。每臺空氣壓縮機采用9路開關量、7路模擬量信號輸入、7路開關量輸出。水溫與水壓設計成4臺機公用，模擬信號傳輸電纜采用屏蔽電纜，輸出數據采用4臺機公用顯示，定期掃描巡檢輸出，帶手動自鎖巡檢按鈕，便于司機抄表。系統具有故障記憶功能，在聲光告警狀態(tài)下，自動記憶并鎖定故障車號及故障狀態(tài)參數，以便分析，按下“復位按鈕”方可恢復系統自動運行。為了確保設備在可編程控制器及故障檢修狀態(tài)下運行，設置了手動控制系統與可編程控制器系統相互切換，手動控制與改造前的控制功能相同。由于壓風機啟動、停車都按程序進行，必須先卸荷、放風使空氣壓縮機空載然后再停車，故將方式開關作為緊急停機開關信號引入。

    在軟件上加了緊急停車回路，按照《煤礦安全規(guī)程》的要求，將停水、斷油、超溫與緊急停車開關組合成緊急停車回路，確保故障狀態(tài)或緊急情況下人為緊急帶負荷停車，防止事故蔓延。由于卸荷打風的壓力傳感器都是專用的，每臺機的打風卸荷受各自傳感器控制，而傳感器都裝在各自的風包上，風包排氣管路又相互聯結在一起，就使較靈敏的壓力傳感器先動作，打風卸荷交替運行，而不靈敏的傳感器基本上不動作，總處在滿負荷工作狀態(tài)。為此，將程序作了修改，使一臺機連續(xù)運行一定時間后自動卸荷，直到風壓降到下限，再投入運行。

    8 集散式分布控制系統應用于礦井水處理系統

    兗州礦業(yè)（集團）公司濟寧二號煤礦原有的礦井水處理設施已無法滿足礦井水排量的需求，必須對原處理設施進行技術改造，提高礦井水的處理能力。為此，他們在山東省煤炭科學研究所的幫助下增設了一套新的礦井水處理設備。為了降低了水處理成本，采用了集散式分布控制系統，對設備異常采用超級文本指示可能出現故障的原因，有利于準確分析、判斷和排除故障。

    該礦的礦井水處理設施分兩點布置，一級站與二級站相距450m。站內設備布置相對集中，分別設有1臺可編程控制器（PLC）對設備進行控制。由于過程控制涉及到整個系統設備監(jiān)控、數據采集及自動加藥排泥、消毒等諸多環(huán)節(jié)，所以自動加藥排泥和消毒都具備獨立的控制單元。礦井水處理過程控制系統由網絡服務器、上位機系統、可編程控制器控制系統、二氧化氯消毒控制系統、智能儀表、傳感變送器以及打印機等組成。此系統采用Porfibus工業(yè)總線集散式分布控制方式。上位系統通過MPI總線與下位控制單元PLC、智能控制單元等進行通訊，從而完成相關設備運轉的工況監(jiān)控、相關工藝參數的實時監(jiān)測和顯示、工藝流程控制、動畫顯示、數據存儲、報表管理、定時打印。

    實踐表明，集散分布控制方式的最大優(yōu)勢在于控制風險分擔，將控制功能分散到若干個智能控制單元，避免系統某一環(huán)節(jié)異常或故障而造成整體癱瘓，有著較高的可靠性。下位機如PLC、智能儀表具有獨立的CPU，既可脫離上位機獨立完成控制功能，又可通過網絡通訊接受上位機的監(jiān)控與管理。由于系統配置靈活、擴展方便，各工控智能單元作為下位機既獨立又與整個系統融為一體，優(yōu)勢得以充分發(fā)揮，具有較高的性能價格比。

    9 用PLC實現選煤廠設備起車前故障檢測

    兗州礦業(yè)（集團）公司濟寧三號煤礦選煤廠采用可編程序控制器控制選煤廠設備起車前的故障預檢測，保證全部設備一次起車成功，成功率幾乎達到了100%，取得了良好的效果。

    該廠的設備均采用集中控制方式。在起車過程中，只要其中有一臺設備發(fā)生了故障，其余的設備就必須全部停車檢修，而且要待到所有設備均無故障后才能再次起車。由于選煤廠的設備數量多達數百臺，因而起車的過程經常需要重復好幾次，不僅嚴重影響了正常生產秩序，還造成了設備的空運轉磨損，浪費了電能消耗。為此，他們采用可編程序控制器對設備進行起車前的故障預測。此項改造完成后，開車前由可編程序控制器對電動機的二次控制回路進行故障檢查，檢測接點被串入集中控制起車信號回路和電動機控制回路中。在設備完好狀態(tài)下，檢測接點是閉合的，設備有輸入信號，此時即可以起車；當設備有故障時，檢測接點則是打開的，這時設備沒有輸入信號，立即可找出故障。常見故障有漏電繼電器、熱繼電器、綜合保護器等跳閘及停止按鈕按下后沒有復位等。

    運行實踐表明，這項改造成果的預檢測功能是相當可靠的，經濟效益和社會效益均非常顯著。行家們對濟寧三號煤礦選煤廠應用可編程序控制器實現全廠設備起車之前的故障預檢測的成果給予了極高的評價，希望能夠盡快地在更大的范圍得到推廣。

    10 PLC在鮑店選煤廠集控系統的應用

    兗州礦業(yè)（集團）公司鮑店煤礦選煤廠的控制系統采用底層可編程控制器系統與上位機監(jiān)控相結合的模式，以數據量邏輯控制為主，配以少量工藝過程參數的模擬量檢測監(jiān)視，用于實現工藝流程系統設備的集中啟、停車控制和運行過程中的連鎖控制，并且具有工藝過程參數的閉環(huán)控制系統，達到國內同行業(yè)中的先進水平。

    該廠原先的集控系統采用SIMATIC TI545、配煤系統采用SIMATIC S70-300。集控系統的整體框架分為原煤重介選矸系統、篩分系統、儲裝運系統、跳汰(水洗)系統、撈坑系統、沉降離心脫水系統、除木雜系統及壓濾車間監(jiān)控系統。集控系統有三個操作站:調度室操作洗煤系統的跳汰(水洗)系統、撈坑系統和沉降離心脫水系統；原煤集控室操作原煤系統的重介選矸系統和篩分系統；儲運集控室操作儲裝運系統；壓濾車間設備僅在模擬盤上顯示。三個集控室有各自的可編程控制器主機，互不通訊，版本不一。改造后的新集控系統將洗煤、壓濾與儲運系統合為一臺可編程控制器主機，原煤車間單獨一臺可編程控制器主機；兩臺主機不直接通訊，系統通過上位機通訊互訪。

    控制方案選用施耐德140系列PLC系統，主機選用CPU11303中央處理單元，具有512K字節(jié)RAM，MODBUS、MODBUS PLUS接口。與現場設備狀態(tài)檢測及控制電路相連的部分采用MODBUS PLUS工業(yè)總線結構的分布式控制系統，在廠調度室和原煤車間分別設置獨立的可編程控制器主機站，在主廠房洗煤車間9PD、10PD和5PD-1配電室、原煤車間3PD、重介二樓配電室、重介三樓配電室、篩分車間配電室、原煤1#變電所、儲運集控5PD-1、原煤2#變電所、塊煤倉下、原煤倉下和壓濾車間配電室設置分布站，除了原煤車間3PD、重介二樓配電室、重介三樓配電室、篩分車間配電室和原煤1#變電所分布站由原煤系統可編程控制器控制外，其余分布站均由廠調度室可編程控制器控制。

    11 提高PLC控制系統可靠性的措施

    可編程控制器在選煤廠已得到廣泛應用，但由于各種原因造成控制系統可靠性低。兗州礦業(yè)（集團）公司職工大學通過原因分析，從軟硬件及安裝使用等方面提出一些措施，有效地提高可編程控制器的可靠性。

    ⑴設計完善的故障報警系統。在自動控制系統中設計三級故障報警系統。一級設置在控制現場的各種控制面板上，用指示燈指示設備正常運行和故障情況。二級故障顯示在中心的控制大屏幕監(jiān)視器上，設備出現故障時有文字顯示故障類型，工藝流程圖上對應設備閃爍。三級故障顯示在中心控制室信號箱內，出現故障時信號箱聲光報警，提示及時處理。

    ⑵提高輸入信號可靠性。①硬件。選用可靠性較高的變送器和開關，防止各種原因引起的傳送線路短路、斷路或接觸不良。②軟件。在程序設計中加數字濾波程序，增加輸入信號的可靠性；現場輸入觸點后加一定時器，其定時時間根據觸點抖動情況和系統要求及相應速度確定，保證觸點穩(wěn)定閉合后才有其它響應；模擬信號濾波采用下法：對現場信號連續(xù)采樣3次，其間隔由A/D轉換速度和模擬信號變化速度決定，去掉最大、最小值，保留中間值存放在數據寄存器中；程序設計時可利用信號間關系判斷信號可靠程度，如貯罐上下液位保護的開關動作發(fā)出信號給可編程控制器，將此信號與液位計信號對比正確說明真實，反之可能極限開關故障或傳送信號線路故障；系統功能表上有時不出現互鎖，但為了提高可靠性在編程時必須加以互鎖。

    ⑶執(zhí)行機構。負載由接觸器控制時，啟動或停止這類負載轉為對接觸器線圈控制，吸合、釋放可靠；開啟或關閉閥門時，關閉時間根據閥門開度而不同，設延時又檢測不到開或關到位的信號，如信號不能準確返給可編程控制器則閥門可能有故障。

    ⑷安裝、布線采取抗干擾。PLC的電源、I/O電源一般采用不帶屏蔽層的隔離變壓器供電，在較強干擾源環(huán)境中使用時接地截面積不小于2，接地電阻不大于100kΩ，接地線采用獨立接地方式；可編程控制器電源線、I/O電源線、輸入信號線、輸出信號線、交流線和直流線盡量分開布線，開關量信號、模擬量信號要分開布線，模擬量和數字傳輸線采用屏蔽線并屏蔽接地。

作者：李劍峰