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智慧矿山电气自动化控制中的PLC技术的应用探讨论文

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  关键词:智慧矿山,PLC,电气自动化控制

  随着云计算、人工智能、5G等信息技术不断成熟并与矿山行业实现深度融合,国家持续通过政策引导矿山行业加快智能化发展速度,加大对机器人、智能装备的运用力度,构建无人或者少人开采模式,以科技创新来促进矿山生产与管理水平的有效提升。电气自动化是推进矿山智能化升级的重要基础,其能够促进矿山开采作业效率稳定提升,同时还有助于减少作业人员工作量,增强作业环境的安全性。PLC是当前矿业自动化生产活动中不可或缺的主控制器,现基于智慧矿山发展现状,探讨PLC技术在矿山电气自动化控制中的应用情况。

智慧矿山电气自动化控制中的PLC技术的应用探讨论文

  1 PLC在智慧矿山电气自动化控制中的主要优势

  1.1灵活性

  PLC能够借助编程的方式来形成多种差异化的控制逻辑,从而满足矿山各类机电设备的控制需求,并提供灵活化的控制方法,适应多种不同的控制条件,还可结合矿山各个环节的生产需求展开定制设计。

  1.2高可靠性

  PLC主要采用模块化设计方式,其凭借先进的电子技术能够保持良好的稳定性。内部所用的元器件具有较强的抗干扰能力,拥有自动处理异常与纠正错误的功能,硬件部分可实现冗余配置,即使处于矿山的恶劣复杂条件下也能够正常运行。

  1.3高效节能

  PLC能够支持矿山对电气自动化系统实施精确控制,从而缩减设备运行期间产生的能耗,使各个机电设备维持较高的运行效率,符合“双碳”政策下的节能政策要求,有助于推进绿色、节能矿山建设工作。

  1.4操作方法简单,易于维护

  PLC系统为用户提供图形化的编程界面,使用者通过连接、拖拽等简单操作,即可编写程序,还能够进行实时监控与在线调试。由于系统运用了模块化的设计模式,结构并不复杂,因此排查故障以及日常升级维护工作都较为容易完成,以此有利于缩减自动化控制系统维护工作量与经济成本[1]。

  2 PLC技术在智慧矿山电气自动化控制中的应用

  2.1皮带输送机

  2.1.1控制需求

  皮带输送机是矿山运输环节中的重要设备,能够在最短时间内将开采后处于破碎状态的矿料运输到工作面之外的区域。随着掘进作业的持续推进,仅通过一台输送机很难对较长距离的运输需求进行满足,所以矿山企业常常会对多台输送机进行组合使用,以此实现长距离运输。比如串联4个输送机,打造多级运输模式。但在运输期间,皮带可能会出现断轴、断裂、异常噪声、打滑、撒料以及跑偏等问题,给输送机的安全使用带来风险。所以,对皮带运输系统进行集中化控制极为重要。

  2.1.2主要设备

  矿山企业可借助PLC数据传感器,传输设备故障信息。确保出现异常状况时,主控制装置能够第一时间获取信息,借助集控系统完成调控工作。所用的硬件设备包括纵撕传感装置、跑偏传感装置、烟雾传感装置、速度传感装置、远程控制箱、控制器与电源箱。

  2.1.3主要功能

  其一,监控功能。矿山企业需要预先确定监测区域,通过编程设定停机与报警规则。若PLC系统通过传感器识别输送机出现堆料、跑偏、超速、超温、打滑、纵撕、烟雾、洒水等异常情况,矿料堆起超出预设高度或者时间,或者出现大块矸石、钢板以及锚杆等异物,同时停留时间超出预设时间,系统将会向值班人员发送警报信息,停机信号也将被传送到现场控制系统中,快速完成自动停机操作[2]。

  其二,数据处理功能。以PLC为基础的输送机自动控制系统能够向矿山地面调度中心与作业面集控中心实时传送工作面传感检测数据、运输设备状态信息、运输重量信息等。集控中心围绕数据实施集成处理,为操作人员提供可视化的模拟动画与直观图表,供操作人员对运输设备展开远程控制。

  其三,抗干扰设计。矿山运输环境相对特殊,要求PLC控制系统具备良好的抗干扰能力。因此,在选取设备时,应重点关注其抵抗外部干扰能力、电磁兼容性等特性,确认相应元件、设备的耐压能力、差模抑制比以及共模抑制比等参数。同时还可通过屏蔽技术来减轻空间辐射对于PLC系统与外引线的影响;分层布置动力电缆;正确选取接地装置与接地点。

  2.2掘进设备

  2.2.1控制需求

  其一,矿山所用掘进设备采取手动与自动组合的综合控制模式,其应按照系统预设技术参数,利用控制程序来推进自动化掘进作业,同时结合接收的运行参数信息,调整掘进姿态与动作。并且能够无扰动地向手动模式切换,以此使操作人员借助操作台来人工操纵掘进设备。其二,控制系统应当具备实时获取掘进设备的各项运行参数的功能,同时提供管理与分析参数数据的服务。其三,控制系统应当能够利用现场视频装置完成监控任务,监控内容主要有凿岩机位置与设备运行姿态[3]。确保作业人员能够以现场工况信息为依据,正确调整设备的姿态、位置与动作。其四,控制系统还应提供保护与故障示警的功能,如过负荷保护、电机过流保护、监测油路压力、监测油温等。

  2.2.2系统架构

  软件界面与显示器构成的上位机与PLC等组成的下位机是掘进设备智能控制系统的核心构成部分。下位机可支持传感器采集设备运行状态数据与扫描输入量的任务,上位机按照预设程序对数据进行处理后,可实现对执行机构的控制,使其进行掘进操作。人机交互界面可显示运行参数与相关分析结果,同时向下位机输送指令。硬件设备有液晶显示屏、显示器与工业计算机。工业计算机可支持软件系统运行,显示器则可呈现实时运行数据与作业现场影像。下位机与上位机借助PPI协议开展通信活动。所有传感器构成参数检测模块。运动放大器与比例电磁阀构成执行机构模块。PLC将信号输出后,运动放大器对其实施放大处理,并传递到电磁阀中,以此实现对油缸动作的精准控制。

  2.2.3硬件方案

  操作台、功能控制柜与电气控制柜为该自动控制系统的主要硬件设施。操作台被设置到远程控制室中,组成部分有控制系统、显示器与操作面板。主要功能为监测掘进设备的参数与远程控制设备运行。功能控制柜采用集成化设计方式,由位移传感器、运动放大器与从站PLC构成。电气控制柜由从站PLC、液晶显示器、CO传感器与电参数传感器构成,被设置到掘进设备尾部区域,可实现对掘进设备一次回路的保护与控制。

  2.2.4软件方案

  若确定控制系统与掘进设备均无异常情况,可进行通电,使上位机与主控程序进入运行状态,掘进设备中的电机将会根据从油泵电机至空压机电机的启动顺序逐步完成启动操作。电机正式运转之后,即可利用PLC将指令发送到电磁阀处。处于功能控制柜中的从站PLC需要将控制电压输送至运动放大器处,同时控制激光测距仪等传感装置执行数据采集任务。主程序由传感采集、模拟量输出等子程序构成。

  2.3排水设备

  2.3.1控制需求分析

  主排水系统是当前确保智能矿山正常运行与安全生产的关键系统,能够将矿井水与涌出水向地面排放,为井下作业班组提供安全的作业条件。矿山智能化建设持续推进,大部分矿山所用的主排水系统均已采用无人值守与自动控制模式。随着矿山规模的持续扩大,每日涌水量随之增长,矿山企业使用的水泵数量也越来越多[4]。基于保障水泵安全正常运转的需求,需要对每台水泵的电流、电压、负压、正压、缺水保护、位移保护等多个参数展开监控。监控方式、现场接线与传感系统也日益复杂化。因此,可通过分布式PLC技术来实现对数个传感装置展开联合监控,打造智能化排水控制系统。

  2.3.2控制系统设计

  其一,井下就地控制。该系统组成部分包括数种传感装置与就地站。传感装置所用的信号线,电动闸阀、真空泵、水泵等的电机控制线可直接接入I/O接线端子处。以此可使就地站针对接入水泵展开控制,不会和接入其他就地站的水泵形成相互干扰的情况。就地控制为地面远程控制与井下集中控制提供必要条件。

  其二,井下集中控制。该系统的组成部分包括触摸屏、操作台、集控站与传感器,集控站PLC与操作台输出输入控制线,压力、液位、流量等传感装置所用信号线相连。为就地站与集控站配备以太网交换装置,可利用以太网展开通信活动。触摸屏可对排水系统中全部设备的运行状态进行实时可视化呈现。

  其三,地面上位机监控。该系统的组成部分包括工控计算机与组态软件。上位机依托以太网和PLC展开实时通讯,再借助软件对模拟现场画面,并与排水系统参数变量进行连接,以此满足实时监控排水设备的运行状态与参数变化的需求,为远程控制提供参考依据。

  该智能化矿山排水控制系统支持井下集控自动/人工模式井下就地人工模式地面远程自动/人工模式等多种操作模式。同时还能根据位移、振动、电流、水位、温度等各项模拟量变化,实现对异常情况的精准监测。系统在发送报警信息的同时,还可以进行自动闭锁操作,对水泵等排水设备实施保护。操作人员手动按下复位按钮后,排水系统才可继续运行。

  2.4通风系统

  2.4.1控制需求

  井下通风系统对于矿山日常生产的安全性同样有重要影响。通风系统借助通风控制、通风网络以及动力设备等向各处工作面输送作业人员所需的新鲜空气。井下所设风机设备需要长时间维持运行状态,以往的监测模式存在效率低、管理难度高、电气自动化水平低的问题。矿山企业在技术改造环节中,应当充分挖掘PLC技术在通风控制系统优化中的价值,实现对风机振动、风量、风速以及温度等关键参数的有效监测。

  2.4.2系统设计

  其一,硬件设计。通风监测系统由现场监测层、网络通信层、上位机监管层构成。系统依托处于风机作业现场的各种传感装置来获取通风量以及风机运行数据,再向主控制器处传送,完成数据处理任务。主控制器按照预设程序逻辑进行计算活动,并生成最优通风方案。而后向监管层传送通风信息与通风方案。以此满足矿山企业实时监测井下通风环境的安全管理需求。现场监测层由监测对象、信号采集装置、PLC控制器组成。监测对象有控制器运行情况、风机运行状态与巷道通风量。控制器承担逻辑运算与处理数据等任务,可实时完成与上位机的通信活动。网络通信层负责连接现场监测层与上位机监管层。由于井下作业环境较为封闭、潮湿,可通过差分传输模式来减轻共模干扰,为通信提供有利条件。

  其二,程序设计。系统通过专用型编译器完成编程处理工作,把监测系统划分成数个程序模块,既为编译提供有利条件,同时也能够满足后续扩展功能等系统优化需求。主程序需针对所有单元展开初始化设置,为采集信号做好准备。若风机启动并进入正常运行状态,系统可对通风系统运行情况进行持续监测,并以主控制器为通讯对象,传送监测数据。系统结合运算结果,确定最为合适的井下通风量,并输出相应信号。监测系统将结合对风机设备及通风环境的监测结果,判定当前的风机控制方式是否符合预设规则,进而进行风机调速、启停等远程控制。监控界面可呈现出电气参数、风压、风量等关键参数。建立并更新数据库后,可选取重点监测参数,自动获取数据报表与趋势曲线,供风机管理部门分析风机设备运行表现,制定维护保养方案。

  矿山企业可将井下毒性气体监测系统与通风监测系统进行对接,将NO2与CO气体浓度传感装置安装到风机站所在区域,实现对此类气体的实时监测[5]。若气体浓度高于预设数值,可在接收报警信息后,调整主扇风机的转动速度,尽快排出有毒气体。

  3结论

  矿山企业将PLC技术应用到运输、掘进、排水、通风等环节中,优化电气自动化控制系统,打造少人作业模式,切实降低了生产环节中的管理成本,提高了设备使用效率,实现了对安全作业环境的有效构建。矿山企业应用PLC技术时,应注重围绕控制对象做好需求分析,同时选取性能卓越的优质PLC产品,后续还应结合控制对象的变化,逐步升级自动控制系统。

  参考文献

  [1]佘文远.电气自动化技术在矿山通风系统中的应用研究[J].内蒙古煤炭经济,2022(18):40-42.

  [2]尹晓峰.电气自动化技术在矿山中的应用及相关问题研究[J].世界有色金属,2021(21):164-165.

  [3]陈鲜岷,牛锐.电气自动化在智慧矿山的应用探讨[J].现代工业经济和信息化,2021,11(9):143-144.

  [4]兰晋生.浅论电气自动化控制技术质量在矿山生产中的应用[J].中国石油和化工标准与质量,2021,41(24):183-184.

  [5]孙崇君.PLC在矿山电气自动化控制中的应用研究[J].世界有色金属,2021(7):20-21.

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