煤礦電氣自動化控制系統的設計

康緣

（長安大學興華學院 陜西省西安市 710077）

我國礦產資源豐富，隨著改革開放的深入，國家生產力得到很大發展。新世紀后煤炭行業發生巨大變化，我國成為世界第一產煤大國。同時安全生產矛盾尖銳，影響礦井安全生產的因素有很多，主要包括井下起火等。瓦斯爆炸破壞作用大，是大火混合型爆炸災害。對煤礦設備工作狀態實時監控非常必要，能保障設備安全可靠運行，減少運行人員離散，為大型設備生產集中控制信息化奠定基礎。現代化煤礦生產中安全生產離不開自動化控制裝置，電氣自動化控制系統是實現煤礦高效率生產的關鍵手段。如何優化煤礦電氣自動化控制系統設計，提升系統安全性是目前煤礦企業關注的問題。

1 煤礦電氣自動化控制技術概述

煤礦企業電氣自動化控制技術應用涉及到煤礦開采各方面，技術基礎理論是電氣自動化控制系統。電氣自動化控制技術應用主要集中于對煤礦開采電子化控制，可以應用電氣自動化控制系統的搭配機電設備使用，利用網絡技術實現機電設備控制。煤礦企業內部開采管理使用電氣自動化控制技術[1]。

自動控制是無人參與下，利用外加設備使機器設備按照預定規律運行。自動控制技術研究有利于提高工作效率。第一代過程控制體系基于5-13psi 氣動信號標準。第二代過程控制體系基于0-10mA電流模擬信號，表征電氣控制時代到來。70年代開始數字計算機應用，產生第三代過程控制體系，產生集中控制的中央控制計算機系。系統信號傳輸大多沿用4-20mA 模擬信號，隨著控制集中問題出現，逐漸發展成分布式控制系統。

第四代過程控制體系隨著半導體制造技術發展，計算機技術可靠性增加，目前普遍使用的DCS 主要特點是系統由計算機與智能部件構成控制系統。第五代過程控制體系從DCS 發展，FCS 有更廣闊的發展空間。自動控制系統廣泛應用于社會各領域，對冶金化工等生產中遇到的溫度壓力等物理量有相應控制系統，通過采用數字計算機建立控制性能更好的數字控制系統[2]。自動控制軍事技術方面應用包括火力控制系統等。航天方面應用領域包括導航系統等。

隨著控制技術的發展，自動控制系統應用領域不斷擴大。煤礦能源具有悠久的開采歷史，煤礦企業數量眾多，煤礦利用率是煤礦開采的關鍵，提高開采效率是煤礦開采的要求。煤礦企業利用電氣自動化控制技術可以應用于井下通風，實現井下空氣流通，將井外新鮮空氣輸送到井下作業環境。電氣自動化控制系統具有穩定性特點，技術應用避免人員操作造成資源浪費，提高煤礦開采的安全性。

2 煤礦生產中PLC電氣自動化控制系統

PLC 是新興的電子電氣技術，為實現電氣自動化控制做出了重要貢獻。柔性自動化生產線構造簡單，已成為現代企業建造生產線的重要選擇。PLC 是由數字運算控制的電子系統，PLC 具備邏輯控制功能、故障診斷功能等，其優點體現在可靠性高，組合靈活，體積小等。PLC 技術在自動化電氣控制領域得到了廣泛應用。

圖1：PCL 工作示意圖

PLC 是在集成電路基礎上發展的工業控制設備，具有配置靈活等優點。廣泛應用于工業自動化控制各領域。PLC 結構形式、實現的功能存在差異。主機硬件主要由CPU、電源與I/O 通道組成。主機可滿足小規模的PLC 控制系統的要求，帶有數字通信功能的系統，需增加擴展單元[3]。PLC 發展逐步形成相對完整的系統，主要有CPU 主板、電源等部分組成。PLC 是先進的控制系統，其原理為程序執行與輸出刷新。輸入采樣是采取掃描方法，將狀態信息存入內存，輸入脈沖信號應確保其寬度大于掃描周期。

自動化電氣控制系統中，采取自動啟動方式應用PLC 可實現閉環控制，將輸出電信號轉換為標準量程電流。CPU 主板對預先設定的溫度值進行對比，達到閉環控制。自動控制方式可有效控制閉環中的干擾因素，可直接應用PID 控制器，PID 控制器靈活性強[2]。順序控制系統在自動化電氣控制中廣泛應用，保障工藝流程有序開展。PLC 應用主要采取邏輯設計方法，以狀態為根基寫出邏輯函數，如PLC輸出信號存在時序狀態變化，系統全面的分析實際控制要求，明確信號的時序關系，開展模擬運行試驗。PCL 工作示意圖如圖1所示。

隨著社會經濟的發展，對煤炭資源依賴度不斷提高，煤炭開采引入電氣自動化控制系統，可以節省經濟支出。電氣自動化控制系統核心是單片機，單片機選擇應根據煤礦開采實際環境勘察分析，確保在煤礦生產設備中正常工作。目前我國多數煤礦生產中采用PLC 單片機，可以對漏電現象采取應對措施，PLC 單片機具有工作效率高等優點。單片機在煤礦生產中主要對系統設備實時保護，將檢測電信號傳送至CPU 通過計算機顯示。

3 煤礦電機自動化控制系統應用

煤礦企業受限于資源不可再生，企業意識到電子自動化控制技術的重要性，依托開采實際開展電氣自動化控制技術推進。首先對企業內部機電設備分析，結合企業生產目標明確需求電氣自動化控制需求，制定完善的自動化控制技術生產計劃。在技術投用中對使用情況實時監控，根據煤礦企業生產實際進行針對性改進。當前電氣自動化控制技術呈現綜合性特點。

電氣自動化控制技術應用于煤礦企業各方面，主要包括煤礦機電設備，采煤運輸過程，排水與供電系統等[4]。煤礦開采量提升集中于80年代，此后采煤環境變化使得電氣自動化控制系統開始投用，技術使用方向集中于根據煤層厚度選擇合適開采方案。實現對采煤過程實時監督，通過電氣自動控制技術使用提高開采效率，膠帶運輸是我國煤礦開采常用運輸設備，技術應用搭配運輸監控系統，提升煤礦開采安全性，使得煤礦開采事業快速發展。煤礦行業生產經營中需要使用煤礦機電設備，提升機電設備使用運行效率需要電氣自動化控制系統配合，通過對機電設備使用效率分析，對控制系統改良實現設備穩定運轉。

井下作業煤礦開采環境中，煤礦排水系統應用電氣自動化控制系統提升控制能力，通過電氣自動化控制系統實現水泵工作狀態調整，使系統達到自動調整狀態。為實現排水系統實時監控，實現預防工作有效開展。技術應用可實現排水系統數據收集，推進排水系統的調節工作。供電系統未涉及到機電設備，但電氣自動開展技術在供電系統中具有重要意義。供電系統正常運轉對企業經營具有重要作用。

煤礦企業為保障系統安全，構建煤礦監控系統非常重要，煤礦企業通常將監測裝置與報警裝置同時安全，通過紅外線等裝置檢測監控保證企業安全運行需求。機電設備維護利用不完善，設備改造與系統完善是監控系統電氣自動化技術推進中的重點。通風系統電氣自動化控制與機電設備技術應用有關，通風機電設中融入可控制軟件，增加增值系統使通風系統具備安全報警等多種功能。

4 煤礦電氣自動化控制系統設計重點

煤礦電氣自動化控制系統設計重點包括軟硬件優化與設備選型，目前有較多品牌的PLC 產品，對應控制系統工作性能不同，要重點分析系統規模，合理選擇編程工具[5]。電氣自動化控制系統設計中，要根據系統規模確定I/O 數量，避免資源浪費現象。分析礦井供電情況，選擇編程工具根據系統規模確定。

針對小規模PLC 設備編程選擇梯形編程方式，大型PLC 編程設備使用計算機軟件編程，通常針對大型煤礦自動化控制系統編程。PLC 設備選型前需分析系統規模，可選用微型設備檢測瓦斯濃度。要求水泵機房可根據變化數位改變工作方式，需選擇中等PLC設備。要實時監控礦井生產人員需要對井下通信監控，需要選用大型PLC設備。軟件設計主要包括結構與程序設計，要根據開采程序調整，采用模塊化設計有利于后續功能拓展。將電氣自動化控制系統目標分為多個子任務模塊，提高電氣自動化控制水平。

5 煤礦電氣自動化控制系統優化設計

煤礦電氣自動化控制系統中硬件系統配置非常重要，設計好硬件模塊才能確保系統穩定運行。系統硬件模塊設計遵循優化輸入輸出電路要素[6]。系統運行環境惡劣，要求具有較強抗干擾能力，系統響應失靈原因是芯片受到脈沖干擾。系統設計重點是增強芯片防干擾能力。

抗干擾是系統硬件模塊優化的重要問題，干擾引起動作響應失靈主要因素是電磁脈沖對芯片干擾，應用隔離變壓器裝置控制干擾因素，采用1：1 超隔離變壓器；將PLC 系統置于金屬質地工作柜，防止對系統產生干擾；應用改造系統布線方案，模擬信號傳輸線采用雙絞線屏蔽電纜。防止電磁脈沖等對系統產生干擾；應用改造系統布線方案，如弱電信號線實施分開走線，模擬信號傳輸線采用雙絞線屏蔽電纜。

系統硬件模塊輸入電路優化，應考慮PLC 供電電源對應電壓取值范圍，多數煤礦企業將系統PLC 端供電電壓取值為85-240V，由于大部分管理現場復雜，需要在供電線路安裝電源凈化設備。常見設備包括隔離變壓器等。應用濾波器電源凈化設備進行系統模硬件模塊設計，要確保PLC 輸入電源保持為恒定值24V 直流電。為避免出現過載，要確保保險絲質量合格。

在系統硬件模塊輸出電路優化時，標志等相關設備裝置輸出作業由晶體管完成，使裝置適應于系統高頻性動作。如煤礦生產中水泵機房運用系統，正常運行中系統輸出頻率＜6 次/min，可利用繼電器完成輸出作業，保障輸出電路具有較強抗干擾性能，簡化電路構成。應注意系統硬件模塊輸出為感性負載，系統斷電時輸電路產生浪涌電流。在系統硬件模塊輸出電路設計中遵循防止芯片損壞思路，將二極管續接于輸出電路盤，對系統芯片產生可靠保護。系統輸出頻率為7-10 次/min，使用繼電器輸出，對煤礦水泵房開合動作靈活控制。

系統軟件模塊程序設計中，要優化I/O 接口分配。需結合煤礦生產現場特點，集中編制煤礦電氣自動化控制系統I/O 信號，提高自動化控制系統維修效率。要集中編制煤礦自動化系統計數器等，詳細列示I/O 分配表分配情況。為改善煤礦電氣控制系統運行效率，應優化PLC 程序，如減少存占量等。

6 結語

在國民經濟不斷發展下，煤礦技術得到很大發展，使用電氣自動化控制技術提升煤礦生產效率。本文對電氣自動化控制系統分析，煤礦企業應用PLC 自動化控制系統，對促進煤礦企業健康發展具有重要意義。應根據煤礦生產需求，確保各方面指標符合相關標準。隨著電氣自動化控制技術的發展，煤礦電氣設備向自動化控制方向發展。煤礦自動化控制系統優化設計可以降低成本，只有加快系統創新發展，提高電氣控制系統工作效率才能保證電氣自動化監控。