煤矿电气自动化控制系统的设计

康缘

（长安大学兴华学院 陕西省西安市 710077）

我国矿产资源丰富，随着改革开放的深入，国家生产力得到很大发展。新世纪后煤炭行业发生巨大变化，我国成为世界第一产煤大国。同时安全生产矛盾尖锐，影响矿井安全生产的因素有很多，主要包括井下起火等。瓦斯爆炸破坏作用大，是大火混合型爆炸灾害。对煤矿设备工作状态实时监控非常必要，能保障设备安全可靠运行，减少运行人员离散，为大型设备生产集中控制信息化奠定基础。现代化煤矿生产中安全生产离不开自动化控制装置，电气自动化控制系统是实现煤矿高效率生产的关键手段。如何优化煤矿电气自动化控制系统设计，提升系统安全性是目前煤矿企业关注的问题。

1 煤矿电气自动化控制技术概述

煤矿企业电气自动化控制技术应用涉及到煤矿开采各方面，技术基础理论是电气自动化控制系统。电气自动化控制技术应用主要集中于对煤矿开采电子化控制，可以应用电气自动化控制系统的搭配机电设备使用，利用网络技术实现机电设备控制。煤矿企业内部开采管理使用电气自动化控制技术[1]。

自动控制是无人参与下，利用外加设备使机器设备按照预定规律运行。自动控制技术研究有利于提高工作效率。第一代过程控制体系基于5-13psi 气动信号标准。第二代过程控制体系基于0-10mA电流模拟信号，表征电气控制时代到来。70年代开始数字计算机应用，产生第三代过程控制体系，产生集中控制的中央控制计算机系。系统信号传输大多沿用4-20mA 模拟信号，随着控制集中问题出现，逐渐发展成分布式控制系统。

第四代过程控制体系随着半导体制造技术发展，计算机技术可靠性增加，目前普遍使用的DCS 主要特点是系统由计算机与智能部件构成控制系统。第五代过程控制体系从DCS 发展，FCS 有更广阔的发展空间。自动控制系统广泛应用于社会各领域，对冶金化工等生产中遇到的温度压力等物理量有相应控制系统，通过采用数字计算机建立控制性能更好的数字控制系统[2]。自动控制军事技术方面应用包括火力控制系统等。航天方面应用领域包括导航系统等。

随着控制技术的发展，自动控制系统应用领域不断扩大。煤矿能源具有悠久的开采历史，煤矿企业数量众多，煤矿利用率是煤矿开采的关键，提高开采效率是煤矿开采的要求。煤矿企业利用电气自动化控制技术可以应用于井下通风，实现井下空气流通，将井外新鲜空气输送到井下作业环境。电气自动化控制系统具有稳定性特点，技术应用避免人员操作造成资源浪费，提高煤矿开采的安全性。

2 煤矿生产中PLC电气自动化控制系统

PLC 是新兴的电子电气技术，为实现电气自动化控制做出了重要贡献。柔性自动化生产线构造简单，已成为现代企业建造生产线的重要选择。PLC 是由数字运算控制的电子系统，PLC 具备逻辑控制功能、故障诊断功能等，其优点体现在可靠性高，组合灵活，体积小等。PLC 技术在自动化电气控制领域得到了广泛应用。

图1：PCL 工作示意图

PLC 是在集成电路基础上发展的工业控制设备，具有配置灵活等优点。广泛应用于工业自动化控制各领域。PLC 结构形式、实现的功能存在差异。主机硬件主要由CPU、电源与I/O 通道组成。主机可满足小规模的PLC 控制系统的要求，带有数字通信功能的系统，需增加扩展单元[3]。PLC 发展逐步形成相对完整的系统，主要有CPU 主板、电源等部分组成。PLC 是先进的控制系统，其原理为程序执行与输出刷新。输入采样是采取扫描方法，将状态信息存入内存，输入脉冲信号应确保其宽度大于扫描周期。

自动化电气控制系统中，采取自动启动方式应用PLC 可实现闭环控制，将输出电信号转换为标准量程电流。CPU 主板对预先设定的温度值进行对比，达到闭环控制。自动控制方式可有效控制闭环中的干扰因素，可直接应用PID 控制器，PID 控制器灵活性强[2]。顺序控制系统在自动化电气控制中广泛应用，保障工艺流程有序开展。PLC 应用主要采取逻辑设计方法，以状态为根基写出逻辑函数，如PLC输出信号存在时序状态变化，系统全面的分析实际控制要求，明确信号的时序关系，开展模拟运行试验。PCL 工作示意图如图1所示。

随着社会经济的发展，对煤炭资源依赖度不断提高，煤炭开采引入电气自动化控制系统，可以节省经济支出。电气自动化控制系统核心是单片机，单片机选择应根据煤矿开采实际环境勘察分析，确保在煤矿生产设备中正常工作。目前我国多数煤矿生产中采用PLC 单片机，可以对漏电现象采取应对措施，PLC 单片机具有工作效率高等优点。单片机在煤矿生产中主要对系统设备实时保护，将检测电信号传送至CPU 通过计算机显示。

3 煤矿电机自动化控制系统应用

煤矿企业受限于资源不可再生，企业意识到电子自动化控制技术的重要性，依托开采实际开展电气自动化控制技术推进。首先对企业内部机电设备分析，结合企业生产目标明确需求电气自动化控制需求，制定完善的自动化控制技术生产计划。在技术投用中对使用情况实时监控，根据煤矿企业生产实际进行针对性改进。当前电气自动化控制技术呈现综合性特点。

电气自动化控制技术应用于煤矿企业各方面，主要包括煤矿机电设备，采煤运输过程，排水与供电系统等[4]。煤矿开采量提升集中于80年代，此后采煤环境变化使得电气自动化控制系统开始投用，技术使用方向集中于根据煤层厚度选择合适开采方案。实现对采煤过程实时监督，通过电气自动控制技术使用提高开采效率，胶带运输是我国煤矿开采常用运输设备，技术应用搭配运输监控系统，提升煤矿开采安全性，使得煤矿开采事业快速发展。煤矿行业生产经营中需要使用煤矿机电设备，提升机电设备使用运行效率需要电气自动化控制系统配合，通过对机电设备使用效率分析，对控制系统改良实现设备稳定运转。

井下作业煤矿开采环境中，煤矿排水系统应用电气自动化控制系统提升控制能力，通过电气自动化控制系统实现水泵工作状态调整，使系统达到自动调整状态。为实现排水系统实时监控，实现预防工作有效开展。技术应用可实现排水系统数据收集，推进排水系统的调节工作。供电系统未涉及到机电设备，但电气自动开展技术在供电系统中具有重要意义。供电系统正常运转对企业经营具有重要作用。

煤矿企业为保障系统安全，构建煤矿监控系统非常重要，煤矿企业通常将监测装置与报警装置同时安全，通过红外线等装置检测监控保证企业安全运行需求。机电设备维护利用不完善，设备改造与系统完善是监控系统电气自动化技术推进中的重点。通风系统电气自动化控制与机电设备技术应用有关，通风机电设中融入可控制软件，增加增值系统使通风系统具备安全报警等多种功能。

4 煤矿电气自动化控制系统设计重点

煤矿电气自动化控制系统设计重点包括软硬件优化与设备选型，目前有较多品牌的PLC 产品，对应控制系统工作性能不同，要重点分析系统规模，合理选择编程工具[5]。电气自动化控制系统设计中，要根据系统规模确定I/O 数量，避免资源浪费现象。分析矿井供电情况，选择编程工具根据系统规模确定。

针对小规模PLC 设备编程选择梯形编程方式，大型PLC 编程设备使用计算机软件编程，通常针对大型煤矿自动化控制系统编程。PLC 设备选型前需分析系统规模，可选用微型设备检测瓦斯浓度。要求水泵机房可根据变化数位改变工作方式，需选择中等PLC设备。要实时监控矿井生产人员需要对井下通信监控，需要选用大型PLC设备。软件设计主要包括结构与程序设计，要根据开采程序调整，采用模块化设计有利于后续功能拓展。将电气自动化控制系统目标分为多个子任务模块，提高电气自动化控制水平。

5 煤矿电气自动化控制系统优化设计

煤矿电气自动化控制系统中硬件系统配置非常重要，设计好硬件模块才能确保系统稳定运行。系统硬件模块设计遵循优化输入输出电路要素[6]。系统运行环境恶劣，要求具有较强抗干扰能力，系统响应失灵原因是芯片受到脉冲干扰。系统设计重点是增强芯片防干扰能力。

抗干扰是系统硬件模块优化的重要问题，干扰引起动作响应失灵主要因素是电磁脉冲对芯片干扰，应用隔离变压器装置控制干扰因素，采用1：1 超隔离变压器；将PLC 系统置于金属质地工作柜，防止对系统产生干扰；应用改造系统布线方案，模拟信号传输线采用双绞线屏蔽电缆。防止电磁脉冲等对系统产生干扰；应用改造系统布线方案，如弱电信号线实施分开走线，模拟信号传输线采用双绞线屏蔽电缆。

系统硬件模块输入电路优化，应考虑PLC 供电电源对应电压取值范围，多数煤矿企业将系统PLC 端供电电压取值为85-240V，由于大部分管理现场复杂，需要在供电线路安装电源净化设备。常见设备包括隔离变压器等。应用滤波器电源净化设备进行系统模硬件模块设计，要确保PLC 输入电源保持为恒定值24V 直流电。为避免出现过载，要确保保险丝质量合格。

在系统硬件模块输出电路优化时，标志等相关设备装置输出作业由晶体管完成，使装置适应于系统高频性动作。如煤矿生产中水泵机房运用系统，正常运行中系统输出频率＜6 次/min，可利用继电器完成输出作业，保障输出电路具有较强抗干扰性能，简化电路构成。应注意系统硬件模块输出为感性负载，系统断电时输电路产生浪涌电流。在系统硬件模块输出电路设计中遵循防止芯片损坏思路，将二极管续接于输出电路盘，对系统芯片产生可靠保护。系统输出频率为7-10 次/min，使用继电器输出，对煤矿水泵房开合动作灵活控制。

系统软件模块程序设计中，要优化I/O 接口分配。需结合煤矿生产现场特点，集中编制煤矿电气自动化控制系统I/O 信号，提高自动化控制系统维修效率。要集中编制煤矿自动化系统计数器等，详细列示I/O 分配表分配情况。为改善煤矿电气控制系统运行效率，应优化PLC 程序，如减少存占量等。

6 结语

在国民经济不断发展下，煤矿技术得到很大发展，使用电气自动化控制技术提升煤矿生产效率。本文对电气自动化控制系统分析，煤矿企业应用PLC 自动化控制系统，对促进煤矿企业健康发展具有重要意义。应根据煤矿生产需求，确保各方面指标符合相关标准。随着电气自动化控制技术的发展，煤矿电气设备向自动化控制方向发展。煤矿自动化控制系统优化设计可以降低成本，只有加快系统创新发展，提高电气控制系统工作效率才能保证电气自动化监控。