煤矿电气自动化控制系统的优化设计分析

陕西煤化机电安装有限公司 李 欣

伴随着社会的发展，人们逐渐意识到生态环境保护的重要性，但是清洁能源的使用经验不足、开发成本较高，只能小区域试行，难以实现大面积推广，因此煤炭依然是我国最重要的能源之一。在当前科学技术取得丰硕成果的背景下，机电自动化控制进入了煤炭采挖领域，这种技术属于集成化控制措施，在煤矿开采作业中应用广泛，不仅可以简化回采作业流程，还可以集中控制井下设备，能有效提升矿井作业效率与精度，还能提高煤炭生产效率和企业经济收益，既保证了安全生产的底线，又能满足社会各领域对煤炭的需求。

1 煤矿电气自动化控制系统概述

1.1 煤矿电气自动化控制系统的内涵

由于计算机科学与工程的不断探索，加之机械与电力学科的深入研究，电气自动化领域得到了初步的发展。在实际的生产过程中，该系统借助于可编程逻辑控制器（即PLC 系统），针对矿中地质条件、温度条件等具体环境做出合理预判，并在此基础上，通过完成逻辑运算、时序控制等基础操作，达到控制CPU 信号变化的目的，对煤炭采挖过程中的通风、供电、排水等环节进行自动化控制，最终实现减少人工操作、高质量完成采煤的控制工作[1]。

1.2 煤矿电气自动化控制系统现状

现阶段，各行业领域开始应用自动化技术，尤其是核电业、火电厂、煤矿业、石油化工领域，呈现出现代化、自动化的发展趋势，同时可以结合国内外先进技术与成熟经验，来制定标准的煤矿信息化、自动化解决方案。

纵观国际煤矿行业的发展态势，可以发现自动化是未来的技术发展趋势。自动化控制系统可以使煤矿企业实现诊断、监控、维护一体化，缓解开采人员的负担。如果将自动化技术与计算机技术相结合，可以优化整合煤矿生产信息。对于主力生产矿井，由于原本的自动化水平相对较高，为了集中控制设备、逐渐过渡到集成化管理模式。针对陈旧矿井，矿井自动化水平不足，必须充分考虑生产相关问题，进行自动化优化与改造。另外，企业通过子系统带动的方式逐渐研发出综合化系统，用以维护矿井人员安全，全面提升开采作业效率，实现节能降耗目标。

1.3 煤矿电气自动化控制系统的突出优势

由于井下通信和补给无法得到保证，且极易受气候或地质条件影响而发生垮塌、倒灌等生产事故，所以很难确保井下作业人员的生命安全。引入电气自动化控制系统后，一方面可以减少人工投入，避免大量煤矿从业人员同时作业；另一方面可以为井下条件的预测、各环节的控制起到辅助作用，为井下作业人员提供后勤保障。

除了安全生产以外，借助电气自动化控制系统还可以提高煤炭采挖效率与产量，一方面，机器设备的工作效率天然地高于人工效率；另一方面，使用机器设备可以减少因考虑安全生产带来的额外成本，如补给的运送、井下环境的探查等。在提高采挖工作效率的同时，电气自动化控制系统可以明显提高产煤质量，由于其采用计算机编程和人工智能技术等新兴科技，能较准确地预判煤炭品质优劣，加之系统具备自我更新的能力，可以实现精准的优质煤采挖，避免因人工的盲目性导致所采煤炭品质低劣。

2 煤矿电气自动化控制系统的优化设计

2.1 设备选型优化

2.1.1 开展矿井规模探查工作

在借助自动化控制系统展开煤炭采挖工作之前，务必进行针对矿井规模的探查工作，在明确了解井下规模与环境条件后，再以此为根据有针对性地规划电气自动化控制系统，并借此完善采挖设施的种类选择工作。在实际生产过程中，一般以井下环境特点和作业目的作为衡量标准。例如，对于瓦斯浓度未知的矿井，可以选用德国某品牌的一款专用设备，具备检测数值极为灵敏的特点，适用于井下瓦斯浓度测量，可以为井下作业人员提供帮助[2]。此外，如果以监测矿井整体环境为目的则不宜选用上述机器，而应采用运算量大、运算效率高的专用设施，以支持井下全面、完整、大量的数据要求，适用于井下整体检测。

2.1.2 明确输入/输出点的类型与数量

输入/输出点英文简称I/O 点，指自动控制过程中输入的条件参数与得到的结果参数，根据实际生产经验得知，I/O 点的数目及种类至关重要。对于气候条件正常、地质条件简单的矿井而言，往往仅需要少数几个I/O 点即可满足监测需求；但是对于气候条件异常、地质条件复杂的矿井而言，必须选取多个I/O 点，且必要时应当保证种类的多样性，这样才能保证复杂环境下监测的需要。

除了上述限制以外，对于I/O 点的数量，业界一般认为设计规划应多于实际使用，以达到预留机动空间的目的，防止突发情况导致部分I/O 点无法发挥作用；但也应当注意在合理的范围内预留I/O点，保证整体工作的I/O 点充足。相似地，应当提前进行机械设施技术参数的规划，避免在设备选购和相关配套跟进方面产生差错，导致工期延误、成本上升等问题。

2.1.3 明确各类编程设备的特点

在实际生产过程中，矿井的环境条件千变万化，为了适应不同的矿井，应当明确各类编程设备的特点，从而有针对性地挑选适用于当前矿井的编程设备。如果矿井的各方面条件较为理想，可以选择手持式编程设备，该设备可用的编程语句极为有限，编程效率也较低，且对匹配的可编程逻辑控制器要求比较严格；如果矿井的各方面条件处于正常水平，应当使用图形编程设备并进行梯形图编程，因为其信息可视化的特点，该种编程方式被广泛应用，能更好地适应大多数矿井作业；如果煤矿规模较大、各方面条件较为复杂，必须选用编程效率最高的编程设备，一般认为计算机搭配可编程逻辑控制器是最好选择，但是该设备存在资金和时间成本投入较大的缺点。

2.2 系统架构优化

2.2.1 完善硬件构成体系

2.2.1.1 完善电路规划

针对输入电路应当确保两点：配备电源净化组件并将其输入电压设定为24V。对于前者，主要出于矿井条件的复杂性和不确定性的考量，由于电气自动化控制设施极易受到井下环境破坏，一旦无法工作将严重影响井下煤炭采挖工作，所以通过安装该组件实现对设施的保护；对于后者，主要出于可编程逻辑控制器对于电路条件的要求，为确保其处理器不会因电路问题而影响运行，必须选择24V 电压，且在人工干预的条件下，维持电路的正常工作，进而保证电气自动化控制设施不受破坏。

针对输出电路而言，尤其需要注意输出电流频率以及涌浪电流的产生。对于前者，主要是由于工作设施所能接受的电压频率远小于电气自动化控制设施的输出电压频率，如果不对输出电压频率进行调整，受控的工作设施无法受到控制，极有可能影响受控工作设施的正常工作。以水泵机房为例，水泵设施所能接受的电压频率低于自动化控制设施的输出频率，后者高达每秒0.1次，所以前者无法对控制系统作出响应，为了使前者适应高频率，可以采用继电器对其频率进行调整，使其在正常频率下顺利工作；有的时候输出频率会远高于每秒0.1次，此时不应随意选用继电器，一般认为固态继电器更为适宜此种情况，可以更有效地降低频率。

对于后者，一般认为涌浪电流会阻碍电气自动化控制设施的正常运作，如果涌浪电流过大，甚至会直接毁坏控制设施、延误煤炭采挖工作，造成不可逆的损失。在实际生产实践中，考虑到其产生于感性负载，所以通常采用二极管解决此类问题，在电路中接入二极管组件后涌浪电流会被其吸收，虽然不能完全避免涌浪电流的产生，但是在一定程度上可以保护自动化控制设施的工作安全。

2.2.1.2 防止电磁干扰对自动化控制的影响

在多数情况下，煤矿中各方面条件均比较复杂，不利于自动化控制设施的平稳运作，加之电磁干扰对控制设施信号的阻断，更加影响到对煤炭采挖工作的控制。在工作过程中，一般采用最简单直接的金属罩保护，即使用金属罩覆盖在自动化控制设施周围，借助大地的优良导电性，将金属罩与大地连接，从而将电磁脉冲导入大地，避免电磁干扰。

除此之外，也常采用隔离变压器达到相同效果，其工作原理是降低电路的高频率，避免高频电压的影响，使用此种方法时，尤其应当注意使用电容组件连接中性点位和大地，如此才可以阻碍干扰。如果以自动化控制设施的电路分布图示为依据，可以采取双绞线模拟的方法，通过对信号传输过程的模拟实现阻断干扰的目的。

除了上述三种常用方法，还应注意应对涌浪电流的干扰与破坏，为达到此目的，可以通过电路图的规划与再编排，实现电路工作效率的提升，从而解决浪涌电流的对自动化控制的干扰与破坏问题。另外，可以根据生产实践经验得知，煤矿采挖行业所用的可编程逻辑控制器所需电压大于85V、小于240V，差值高达155V，难以确保所需电压的稳定，从而容易导致因供电电压浮动产生干扰影响，此时通过调整输入电路规划，可以有效解决电压浮动带来的干扰。

2.2.2 完善软件体系

2.2.2.1 完善针对程序结构的规划

在煤炭采挖工作过程中，软件的程序结构影响到自动化控制的结果，与煤炭采挖工作效率间接挂钩，因此软件的程序结构必须在符合煤矿单位实际开采需求的前提下，既做到提高工作效率和产能、又可以随时修改以适应环境变化。当前工作背景下，单元化处理是保证随时修改程序结构的最优方法，具体是指将软件的程序结构进行功能上的区别，使其成为不同的几个单元，在保证相互配合完成工作的基础上，确保其各单元的相对独立性。在软件组装的阶段，先单元化再组装可以做到既高效又准确；在结构调整阶段，通过这种单元化的操作可以为专门针对各单元的调整预留空间，在不影响其他单元工作的前提下实现对某一单元的精准调整，使因调整软件程序结构而产生的影响降到最低，使完善程序结构带来的优势最大化。

2.2.2.2 完善针对程序工作流程的规划

工作流程主要包括I/O 点的布控和特殊元器件的使用等。对于前者，该项工作的核心集中在I/O点排布位置方面，尤其注意将I/O 点进行科学排布，在符合煤炭采挖作业实际条件的前提下，做到I/O点的数量满足既不会缺乏也不会闲置的条件，实现需求高的区域能得到较多的I/O 点支持；对于后者，除了I/O 点的布控，其他元器件的使用同样影响自动化控制的效率，以定时器为例，该种元件通过对工作流程进行时间控制，实现保证煤炭采挖工作平稳、有序进行的目的。

2.2.2.3 软件程序的预期试运行

在自动化控制系统正式投入煤炭采挖工作之前，必须对其进行功能的预期试运行，确保其工作的流畅度，否则容易导致采挖作业故障[3]。具体操作方法为：首先，进行各单元的单独试运行，确保每个单元都能如期完成其工作任务；其次，将各单元按照正确的工作流程进行前后连接，确保每个工作节点都能衔接顺畅。也可以采用边试运行、边连接各单元的做法，减少试运行的时间成本投入。

3 结语

综上，为了在保证安全生产的前提下满足当前对煤炭资源的大规模应用，保证社会各领域能源供应安全，有必要采用电气自动化控制设施，对煤炭采挖行业进行技术革新。该项工作具有复杂性、专业性强等特点，会直接影响煤矿生产效率。另外，在实际生产过程中，还应通过设施类型确定、软硬件结构完善等具体措施，优化自动化控制设施，实现对煤炭采挖工作的全机械化自动控制，从而有效加强系统优化设计质量，维护矿井生产作业的安全性，提高煤炭采挖的工作效率，提升煤矿企业煤炭产能与经济收益。