煤礦電氣自動化控制系統的優化設計分析

陜西煤化機電安裝有限公司 李 欣

伴隨著社會的發展，人們逐漸意識到生態環境保護的重要性，但是清潔能源的使用經驗不足、開發成本較高，只能小區域試行，難以實現大面積推廣，因此煤炭依然是我國最重要的能源之一。在當前科學技術取得豐碩成果的背景下，機電自動化控制進入了煤炭采挖領域，這種技術屬于集成化控制措施，在煤礦開采作業中應用廣泛，不僅可以簡化回采作業流程，還可以集中控制井下設備，能有效提升礦井作業效率與精度，還能提高煤炭生產效率和企業經濟收益，既保證了安全生產的底線，又能滿足社會各領域對煤炭的需求。

1 煤礦電氣自動化控制系統概述

1.1 煤礦電氣自動化控制系統的內涵

由于計算機科學與工程的不斷探索，加之機械與電力學科的深入研究，電氣自動化領域得到了初步的發展。在實際的生產過程中，該系統借助于可編程邏輯控制器（即PLC 系統），針對礦中地質條件、溫度條件等具體環境做出合理預判，并在此基礎上，通過完成邏輯運算、時序控制等基礎操作，達到控制CPU 信號變化的目的，對煤炭采挖過程中的通風、供電、排水等環節進行自動化控制，最終實現減少人工操作、高質量完成采煤的控制工作[1]。

1.2 煤礦電氣自動化控制系統現狀

現階段，各行業領域開始應用自動化技術，尤其是核電業、火電廠、煤礦業、石油化工領域，呈現出現代化、自動化的發展趨勢，同時可以結合國內外先進技術與成熟經驗，來制定標準的煤礦信息化、自動化解決方案。

縱觀國際煤礦行業的發展態勢，可以發現自動化是未來的技術發展趨勢。自動化控制系統可以使煤礦企業實現診斷、監控、維護一體化，緩解開采人員的負擔。如果將自動化技術與計算機技術相結合，可以優化整合煤礦生產信息。對于主力生產礦井，由于原本的自動化水平相對較高，為了集中控制設備、逐漸過渡到集成化管理模式。針對陳舊礦井，礦井自動化水平不足，必須充分考慮生產相關問題，進行自動化優化與改造。另外，企業通過子系統帶動的方式逐漸研發出綜合化系統，用以維護礦井人員安全，全面提升開采作業效率，實現節能降耗目標。

1.3 煤礦電氣自動化控制系統的突出優勢

由于井下通信和補給無法得到保證，且極易受氣候或地質條件影響而發生垮塌、倒灌等生產事故，所以很難確保井下作業人員的生命安全。引入電氣自動化控制系統后，一方面可以減少人工投入，避免大量煤礦從業人員同時作業；另一方面可以為井下條件的預測、各環節的控制起到輔助作用，為井下作業人員提供后勤保障。

除了安全生產以外，借助電氣自動化控制系統還可以提高煤炭采挖效率與產量，一方面，機器設備的工作效率天然地高于人工效率；另一方面，使用機器設備可以減少因考慮安全生產帶來的額外成本，如補給的運送、井下環境的探查等。在提高采挖工作效率的同時，電氣自動化控制系統可以明顯提高產煤質量，由于其采用計算機編程和人工智能技術等新興科技，能較準確地預判煤炭品質優劣，加之系統具備自我更新的能力，可以實現精準的優質煤采挖，避免因人工的盲目性導致所采煤炭品質低劣。

2 煤礦電氣自動化控制系統的優化設計

2.1 設備選型優化

2.1.1 開展礦井規模探查工作

在借助自動化控制系統展開煤炭采挖工作之前，務必進行針對礦井規模的探查工作，在明確了解井下規模與環境條件后，再以此為根據有針對性地規劃電氣自動化控制系統，并借此完善采挖設施的種類選擇工作。在實際生產過程中，一般以井下環境特點和作業目的作為衡量標準。例如，對于瓦斯濃度未知的礦井，可以選用德國某品牌的一款專用設備，具備檢測數值極為靈敏的特點，適用于井下瓦斯濃度測量，可以為井下作業人員提供幫助[2]。此外，如果以監測礦井整體環境為目的則不宜選用上述機器，而應采用運算量大、運算效率高的專用設施，以支持井下全面、完整、大量的數據要求，適用于井下整體檢測。

2.1.2 明確輸入/輸出點的類型與數量

輸入/輸出點英文簡稱I/O 點，指自動控制過程中輸入的條件參數與得到的結果參數，根據實際生產經驗得知，I/O 點的數目及種類至關重要。對于氣候條件正常、地質條件簡單的礦井而言，往往僅需要少數幾個I/O 點即可滿足監測需求；但是對于氣候條件異常、地質條件復雜的礦井而言，必須選取多個I/O 點，且必要時應當保證種類的多樣性，這樣才能保證復雜環境下監測的需要。

除了上述限制以外，對于I/O 點的數量，業界一般認為設計規劃應多于實際使用，以達到預留機動空間的目的，防止突發情況導致部分I/O 點無法發揮作用；但也應當注意在合理的范圍內預留I/O點，保證整體工作的I/O 點充足。相似地，應當提前進行機械設施技術參數的規劃，避免在設備選購和相關配套跟進方面產生差錯，導致工期延誤、成本上升等問題。

2.1.3 明確各類編程設備的特點

在實際生產過程中，礦井的環境條件千變萬化，為了適應不同的礦井，應當明確各類編程設備的特點，從而有針對性地挑選適用于當前礦井的編程設備。如果礦井的各方面條件較為理想，可以選擇手持式編程設備，該設備可用的編程語句極為有限，編程效率也較低，且對匹配的可編程邏輯控制器要求比較嚴格；如果礦井的各方面條件處于正常水平，應當使用圖形編程設備并進行梯形圖編程，因為其信息可視化的特點，該種編程方式被廣泛應用，能更好地適應大多數礦井作業；如果煤礦規模較大、各方面條件較為復雜，必須選用編程效率最高的編程設備，一般認為計算機搭配可編程邏輯控制器是最好選擇，但是該設備存在資金和時間成本投入較大的缺點。

2.2 系統架構優化

2.2.1 完善硬件構成體系

2.2.1.1 完善電路規劃

針對輸入電路應當確保兩點：配備電源凈化組件并將其輸入電壓設定為24V。對于前者，主要出于礦井條件的復雜性和不確定性的考量，由于電氣自動化控制設施極易受到井下環境破壞，一旦無法工作將嚴重影響井下煤炭采挖工作，所以通過安裝該組件實現對設施的保護；對于后者，主要出于可編程邏輯控制器對于電路條件的要求，為確保其處理器不會因電路問題而影響運行，必須選擇24V 電壓，且在人工干預的條件下，維持電路的正常工作，進而保證電氣自動化控制設施不受破壞。

針對輸出電路而言，尤其需要注意輸出電流頻率以及涌浪電流的產生。對于前者，主要是由于工作設施所能接受的電壓頻率遠小于電氣自動化控制設施的輸出電壓頻率，如果不對輸出電壓頻率進行調整，受控的工作設施無法受到控制，極有可能影響受控工作設施的正常工作。以水泵機房為例，水泵設施所能接受的電壓頻率低于自動化控制設施的輸出頻率，后者高達每秒0.1次，所以前者無法對控制系統作出響應，為了使前者適應高頻率，可以采用繼電器對其頻率進行調整，使其在正常頻率下順利工作；有的時候輸出頻率會遠高于每秒0.1次，此時不應隨意選用繼電器，一般認為固態繼電器更為適宜此種情況，可以更有效地降低頻率。

對于后者，一般認為涌浪電流會阻礙電氣自動化控制設施的正常運作，如果涌浪電流過大，甚至會直接毀壞控制設施、延誤煤炭采挖工作，造成不可逆的損失。在實際生產實踐中，考慮到其產生于感性負載，所以通常采用二極管解決此類問題，在電路中接入二極管組件后涌浪電流會被其吸收，雖然不能完全避免涌浪電流的產生，但是在一定程度上可以保護自動化控制設施的工作安全。

2.2.1.2 防止電磁干擾對自動化控制的影響

在多數情況下，煤礦中各方面條件均比較復雜，不利于自動化控制設施的平穩運作，加之電磁干擾對控制設施信號的阻斷，更加影響到對煤炭采挖工作的控制。在工作過程中，一般采用最簡單直接的金屬罩保護，即使用金屬罩覆蓋在自動化控制設施周圍，借助大地的優良導電性，將金屬罩與大地連接，從而將電磁脈沖導入大地，避免電磁干擾。

除此之外，也常采用隔離變壓器達到相同效果，其工作原理是降低電路的高頻率，避免高頻電壓的影響，使用此種方法時，尤其應當注意使用電容組件連接中性點位和大地，如此才可以阻礙干擾。如果以自動化控制設施的電路分布圖示為依據，可以采取雙絞線模擬的方法，通過對信號傳輸過程的模擬實現阻斷干擾的目的。

除了上述三種常用方法，還應注意應對涌浪電流的干擾與破壞，為達到此目的，可以通過電路圖的規劃與再編排，實現電路工作效率的提升，從而解決浪涌電流的對自動化控制的干擾與破壞問題。另外，可以根據生產實踐經驗得知，煤礦采挖行業所用的可編程邏輯控制器所需電壓大于85V、小于240V，差值高達155V，難以確保所需電壓的穩定，從而容易導致因供電電壓浮動產生干擾影響，此時通過調整輸入電路規劃，可以有效解決電壓浮動帶來的干擾。

2.2.2 完善軟件體系

2.2.2.1 完善針對程序結構的規劃

在煤炭采挖工作過程中，軟件的程序結構影響到自動化控制的結果，與煤炭采挖工作效率間接掛鉤，因此軟件的程序結構必須在符合煤礦單位實際開采需求的前提下，既做到提高工作效率和產能、又可以隨時修改以適應環境變化。當前工作背景下，單元化處理是保證隨時修改程序結構的最優方法，具體是指將軟件的程序結構進行功能上的區別，使其成為不同的幾個單元，在保證相互配合完成工作的基礎上，確保其各單元的相對獨立性。在軟件組裝的階段，先單元化再組裝可以做到既高效又準確；在結構調整階段，通過這種單元化的操作可以為專門針對各單元的調整預留空間，在不影響其他單元工作的前提下實現對某一單元的精準調整，使因調整軟件程序結構而產生的影響降到最低，使完善程序結構帶來的優勢最大化。

2.2.2.2 完善針對程序工作流程的規劃

工作流程主要包括I/O 點的布控和特殊元器件的使用等。對于前者，該項工作的核心集中在I/O點排布位置方面，尤其注意將I/O 點進行科學排布，在符合煤炭采挖作業實際條件的前提下，做到I/O點的數量滿足既不會缺乏也不會閑置的條件，實現需求高的區域能得到較多的I/O 點支持；對于后者，除了I/O 點的布控，其他元器件的使用同樣影響自動化控制的效率，以定時器為例，該種元件通過對工作流程進行時間控制，實現保證煤炭采挖工作平穩、有序進行的目的。

2.2.2.3 軟件程序的預期試運行

在自動化控制系統正式投入煤炭采挖工作之前，必須對其進行功能的預期試運行，確保其工作的流暢度，否則容易導致采挖作業故障[3]。具體操作方法為：首先，進行各單元的單獨試運行，確保每個單元都能如期完成其工作任務；其次，將各單元按照正確的工作流程進行前后連接，確保每個工作節點都能銜接順暢。也可以采用邊試運行、邊連接各單元的做法，減少試運行的時間成本投入。

3 結語

綜上，為了在保證安全生產的前提下滿足當前對煤炭資源的大規模應用，保證社會各領域能源供應安全，有必要采用電氣自動化控制設施，對煤炭采挖行業進行技術革新。該項工作具有復雜性、專業性強等特點，會直接影響煤礦生產效率。另外，在實際生產過程中，還應通過設施類型確定、軟硬件結構完善等具體措施，優化自動化控制設施，實現對煤炭采挖工作的全機械化自動控制，從而有效加強系統優化設計質量，維護礦井生產作業的安全性，提高煤炭采挖的工作效率，提升煤礦企業煤炭產能與經濟收益。