PLC 在矿山提升设备中的应用

1PLC 技术原理及其工业控制特性

1.1PLC 系统架构与工作逻辑解析

可编程逻辑控制器（PLC）作为工业自动化领域的核心控制装置，其系统架构遵循模块化设计原则。整个系统由硬件和软件两部分构成：硬件部分包含输入输出模块、中央处理单元（CPU）、电源模块及通信接口；软件部分则由编程环境与用户程序组成。

在硬件架构中，输入模块负责接收来自传感器、按钮等现场设备的电信号，通过光电隔离技术将 24V 工业信号转换为 CPU 可识别的 5V 数字信号。中央处理单元作为控制核心，采用微处理器执行用户编写的控制程序，就像给设备装上了能自主思考的"大脑"。输出模块则根据处理结果驱动接触器、指示灯等执行机构，形成完整的控制闭环。

PLC 的工作逻辑建立在独特的扫描机制上。每个工作周期包含三个阶段：首先扫描所有输入端口状态并存入存储器，接着逐条执行用户程序中的逻辑指令，最后将运算结果传输到输出端口。这种循环扫描的工作方式使控制系统具有实时响应能力，例如当提升机过卷保护开关触发时，PLC能在毫秒级时间内切断驱动电源。相比传统继电器控制系统需要逐个物理触点传递信号的线性流程，PLC 的扫描机制显著提升了响应速度与可靠性。

编程软件为 PLC 注入了"思维逻辑"。工程师通过梯形图等图形化编程语言，将提升设备的控制要求转化为逻辑指令。例如在加速阶段控制中，程序可设定当深度传感器检测到罐笼到达井口位置时，自动触发减速指令并调节变频器输出频率。

1.2 工业级 PLC 在恶劣环境下的可靠性设计

工业级 PLC 在矿山应用时面临着严峻的环境挑战。矿井中普遍存在的高湿环境容易引发电路板结露，粉尘堆积会造成触点接触不良，设备运行产生的持续振动则可能导致元器件焊点开裂。

在硬件防护方面，PLC 采用多层防护结构提升环境适应性。输入输出模块配置了金属密封外壳，内部填充导热硅胶，既能阻隔直径大于 12 微米的粉尘颗粒侵入，又可通过外壳散热片将元器件工作温度控制在安全范围。电路板喷涂三防漆处理，形成绝缘保护膜，有效抵御井下 90% 以上湿度环境带来的电化学腐蚀。针对矿井常见机械振动，所有接插件采用军工级卡扣式连接，并在安装支架处设置橡胶减震垫，确保设备在 5Hz-500Hz 振动频率范围内稳定工作。

软件系统通过多重校验机制保障控制可靠性。每个扫描周期内，CPU除执行用户程序外，还会自动进行内存校验和指令冗余校验。当检测到偶发性干扰信号时，系统自动启用信号滤波算法，通过连续采样表决机制消除误动作。针对提升机安全回路这类关键控制信号，采用三通道独立采集设计，只有当两路及以上信号一致时才判定为有效信号，这种"少数服从多数"的设计原则显著提高了信号采集的可靠性。

系统维护性设计体现在模块化结构和自诊断功能两个方面。PLC 将电源、CPU、通信等单元设计为可插拔模块，当某个模块发生故障时，维护人员无需专业工具即可在 10 分钟内完成更换。内置的故障代码库可识别128 种常见故障类型，通过 LED 指示灯组合或通信接口反馈具体故障位置。

2PLC 在矿山提升设备中的优化与创新应用

2.1 矿井提升机多模态控制策略设计

矿井提升机的运行工况复杂多变，传统单一控制模式难以适应不同负载条件下的安全需求。基于 PLC 的多模态控制策略通过建立多种控制模式的自适应切换机制，有效解决了提升机在不同运输场景下的控制优化问题。该策略依据罐笼载重、运行方向、井筒位置等参数自动选择最优控制方案，显著提升了系统运行的安全性与经济性。

核心控制模式包含三种典型工况：重载提升时采用 S 型速度曲线算法，在加速阶段通过二次函数平滑处理，有效抑制了钢丝绳的弹性振动；空载下放时启用能耗制动模式，利用 PLC 的 PWM 脉冲宽度调制功能精确控制制动电阻的投入时机，既减少机械闸瓦磨损又回收电能；检修模式则限定运行速度为额定值的 25% ，同时激活双路位置校验功能，确保设备慢速运行时的绝对安全。

控制算法优化是策略实施的关键。在速度闭环控制中，PLC 通过模糊PID 算法动态调节变频器输出频率。系统实时采集电机转矩电流和编码器反馈信号，当检测到负载突变时，自动调整比例系数和积分时间，使速度波动幅度控制在安全范围内。针对井筒变形造成的轨道偏差问题，设计自适应纠偏程序，根据激光测距仪的实时数据动态修正罐笼运行轨迹，避免因机械碰撞引发事故。

模式切换机制采用双重安全验证设计。当传感器检测到运行参数超出当前模式阈值时，PLC 首先启动三级缓冲过渡程序：第一步锁定输出指令维持当前状态，第二步与上位机进行数据校验，第三步才执行模式切换操作。

2.2 基于 PLC 的安全联锁与故障诊断系统

安全联锁系统通过多层级保护机制实现风险防控。PLC 将提升机的闸瓦间隙传感器、过卷保护开关、松绳检测装置等安全信号纳入统一监控网络，形成覆盖设备全运行周期的保护链。当罐笼接近井口位置时，系统自动触发三级减速程序：首先通过编码器反馈调整变频器输出频率，若速度未按预期下降，则立即投入液压制动；当双重保护均未生效时，最终切断主电源供电。

故障诊断系统依托 PLC 的实时数据采集能力，构建了设备健康状态的全景画像。系统内置的故障树分析模型，能通过电流波动、振动频率等 32个特征参数识别常见故障类型。

模块化设计大幅提升了系统维护效率。PLC 将安全回路划分为独立的控制单元，每个单元配备自检功能。当闸间隙监测模块出现通信故障时，维护人员只需更换对应插卡即可恢复功能，无需停机检修整个系统。

多系统实现联动互锁。提升机系统与信号系统通过软、硬连接方式通讯，完成工序互补，达到安全闭锁功能。信号系统未发出开车信号，提升机无开车指令，无法对提升机进行操作，避免井下作业人员在井筒内作业，提升机动作造成人员伤亡，实现安全作业。提升机的提人、提物、去向及速度信号均由信号系统给出相应指令，提升机只能按指令作业，操作人员给出错误操作，触发 PLC 系统报警，显示故障代码及错误内容，提醒操作人员按正常指令作业，达到听点干活、按指令作业。

结语

本研究对矿山产业升级具有双重价值。在实践层面，PLC 控制系统通过模块化设计简化了设备维护流程，其自诊断功能使故障定位效率显著提高。在安全效益方面，自动化系统能精确控制制动闸间隙，避免因闸瓦磨损导致的溜车事故。从行业发展角度看，该研究为矿山设备智能化改造提供了可复用的技术路径，通过标准控制接口实现与矿井监控系统的数据交互，为构建数字化矿山奠定了基础。

参考文献

[1]张瑞运.煤矿通风系统自动化技术应用探究.工程建设,2023

[2]白文亭.吴和乐：全集成自动化助客户提升市场竞争力——西门子新一代高性能 PLC 控制器与最新版 TIA 博途 V12 软件平台发布.2013,24-25

[3]牛旭军.PLC 技术在煤矿机电控制系统中的应用探析.建筑工程与管理,2019