煤礦電氣自動化控制系統(tǒng)設(shè)計及優(yōu)化

（晉能控股煤業(yè)集團馬道頭煤業(yè)有限責(zé)任公司 山西 037000）

煤礦在我國的經(jīng)濟結(jié)構(gòu)中占據(jù)了很大的一個比重，而且在我國的能源結(jié)構(gòu)中煤炭占據(jù)了很重要的地位，并且也是我國能源的保障。雖然現(xiàn)在我國在不斷地促進能源多元化的發(fā)展，但是社會對于煤炭的需求依舊在不斷地提高，這就使得社會對于煤炭企業(yè)的發(fā)展也比較的關(guān)注。傳統(tǒng)的煤炭開采是利用人力進行的，這種效率非常慢，而且煤礦開采的安全性也不能得到保障。所以隨著技術(shù)的發(fā)展和進步，自動化控制系統(tǒng)被研發(fā)了出來，并且應(yīng)用在了煤礦的開采作業(yè)中，這不但使得煤炭開采的成本降低，而且也使得開采的安全性得到了很好的增強。同時，隨著社會的發(fā)展以及技術(shù)的進步，煤礦開采過程中自動化的程度會越來越高，并且生產(chǎn)也會更為高效，安全性也會有很好的保障。

1.相關(guān)概述

（1）控制系統(tǒng)概述。煤炭是傳統(tǒng)的化石能源中人類利用最早的一種能源，并且在我國的能源組成中占據(jù)了非常大的比重，雖然現(xiàn)在國家已經(jīng)開始限制煤炭的使用范圍，但是我國的煤炭需求量依舊在增加。所以提高煤礦的開采效率是非常重要的，這就需要應(yīng)用電氣自動化技術(shù)，其不但可以提高資源的利用效率，而且還可以為國家的經(jīng)濟發(fā)展貢獻一份力量。整個電氣自動化控制系統(tǒng)的組成主要是單片機，其中包括電源、防水和斷電設(shè)備以及通風(fēng)機等。而單片機對于環(huán)境的適應(yīng)性是比較弱的，所以在進行選擇和操作的過程中要非常地仔細(xì)和謹(jǐn)慎，因為一旦出現(xiàn)了漏水事故，那么單片機的工作就會受到很大的影響。單片機的控制原理就是進行電流電壓信號的轉(zhuǎn)化，進而實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和傳輸工作，保護工作是非常重要的，其主要集中在斷電和通風(fēng)兩個方面。

（2）控制系統(tǒng)現(xiàn)狀。煤礦開采自動化是世界上煤礦發(fā)展的主要趨勢，當(dāng)然目前還無法實現(xiàn)全部自動化，但是局部的自動化卻已經(jīng)可以實現(xiàn)了。目前的自動化系統(tǒng)已經(jīng)開始實現(xiàn)煤礦開采工作的監(jiān)控以及故障診斷工作，甚至一些設(shè)備還可以實現(xiàn)自動維護工作，使得整個開采工作的效率得到了很大的提升。我國新建設(shè)的煤礦都是自動化程度非常高的，一些老舊礦井也在不斷地進行著改造，并且我國還發(fā)布了《煤礦自動化規(guī)劃》的文件，其中對于煤礦的自動化程度進行了要求，這使得節(jié)能降耗的原則被很好地落實到了煤礦的開采當(dāng)中。至于自動化控制技術(shù)的應(yīng)用在很多行業(yè)都已經(jīng)完成了普及工作，并且在很多行業(yè)的應(yīng)用也趨于成熟，所以將這些成熟的產(chǎn)品應(yīng)用于煤礦的開采中，然后針對性地進行改造，會有效地促進煤礦開采的自動化程度和效率。

2.優(yōu)化設(shè)計分析

（1）煤礦控制網(wǎng)絡(luò)。①本地網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。自動化控制系統(tǒng)主要是在本地網(wǎng)絡(luò)中使用，即在每一個地區(qū)都會形成一個環(huán)域網(wǎng)，其主要的目的就是控制相關(guān)的設(shè)備進行數(shù)據(jù)的采集，然后應(yīng)用其他的控制器進行相關(guān)數(shù)據(jù)的輸出工作，這樣整個系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的采集和輸出屬于不同的設(shè)備，因此安全性得到了很好的保障[1]。②系統(tǒng)工作內(nèi)容。煤礦的整個自動化控制部分可以分為兩個部分，內(nèi)部主要是對數(shù)據(jù)進行采集和上傳工作，而外部則是相關(guān)的管理中心和監(jiān)控中心，其主要的作用就是下達相關(guān)指令保障系統(tǒng)的正常運行。在這個系統(tǒng)中比控制系統(tǒng)的應(yīng)用是非常關(guān)鍵的，其可以對工作強度以及性質(zhì)進行嚴(yán)格的把控。

（2）PLC系統(tǒng)的組成。①煤礦長度影響。煤礦的長度對于PLC系統(tǒng)的影響是非常大的，根據(jù)煤礦不同的長度要選擇不同的PLC相關(guān)元件，這樣才可以保障PLC芯片的功能得到很好地發(fā)揮。根據(jù)目前的技術(shù)，煤礦的長度越長，那么在進行相關(guān)數(shù)據(jù)的采集以及生產(chǎn)監(jiān)控的難度就越大，所以對于PLC元件的精度要求就越高。②應(yīng)用內(nèi)容與要求。照明系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)是煤礦中兩個非常重要的系統(tǒng)，所以對于這兩個系統(tǒng)的監(jiān)控工作要做好，如果這兩個系統(tǒng)出現(xiàn)問題那么會直接影響煤礦開采的工作效率，甚至?xí)鹨恍┌踩鹿实陌l(fā)生。

3.系統(tǒng)優(yōu)化策略

(1)設(shè)備選型優(yōu)化

①明確煤礦規(guī)模。煤礦開采的規(guī)模是在進行系統(tǒng)設(shè)計過程中必須進行的一項準(zhǔn)備工作，因為只有掌握了煤礦開采規(guī)模才可以有效地進行自動化控制系統(tǒng)規(guī)模的設(shè)計，并且確定相關(guān)PLC設(shè)備的選型工作。就以德國西門子的相關(guān)產(chǎn)品為例，針對煤礦開采過程中出現(xiàn)的瓦斯?jié)舛冗M行檢測就可以選用SIEMENS S7-200，這種設(shè)備的靈敏度非常高，而且檢測范圍也比較廣泛，可以做好良好的預(yù)警作用。如果要針對礦井進行監(jiān)控，那么這個系統(tǒng)就比較復(fù)雜，所以在選用PLC設(shè)備的過程中要選取大型設(shè)備，因為只有這種設(shè)備才可以對海量數(shù)據(jù)進行傳輸和處理，并且為控制室的相關(guān)人員提供重要的依據(jù)。

②確定I/O點類型。不同煤礦的電氣自動化控制的需求是不同的，因為煤礦的位置不同以及深度不同其自動化控制系統(tǒng)的功能模塊也會不同。比如說對于淺層或者是露天開采的煤礦，那么自動化控制系統(tǒng)對于瓦斯監(jiān)測以及結(jié)構(gòu)強度等內(nèi)容不需要十分的嚴(yán)格，并且所使用的I/O點數(shù)量以及類型并不會很多。但是對于在深井下的煤礦來講，這兩個方面卻是最為重要的內(nèi)容。同時，在進行設(shè)計優(yōu)化的過程中要對I/O點進行統(tǒng)計，并且還需要留有一定的余量，不過余量也不能太多，不然會造成資源的浪費。此外，對于設(shè)備的頻率也需要進行統(tǒng)計，這樣在選擇相關(guān)繼電器等物品時可以直接一步到位，不需要進行多次的更換[2]。

③選擇合適工具。目前電氣自動化控制系統(tǒng)所使用的編程工具有三種方式，第一種方式為手持編程器，這種編程方式只可以使用一些產(chǎn)品商家規(guī)定的語句表進行編程，其效果是比較低的，并且也只適合在一些小型的PLC上使用。第二種方式為圖形編程器，一般煤礦自動化控制系統(tǒng)的應(yīng)用使用的是梯形圖編程，具有很好的直觀性，并且應(yīng)用范圍相比于手持編程器要廣很多。最后一種為計算機加PLC模式，這種模式的應(yīng)用效率是最高的，但是其開發(fā)的價格是比較高的，并且調(diào)試過程也比較長，一般的應(yīng)用都在大型或者是超大型的煤礦中。本質(zhì)上編程工具的應(yīng)用對于煤礦的電氣自動化控制具有非常重要的意義，但是在具體的應(yīng)用中應(yīng)該根據(jù)煤礦的實際情況進行選擇。

(2)系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化

①硬件優(yōu)化設(shè)計。在系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化工作中，首先要進行輸入電力的優(yōu)化工作，從電壓方面來看，一般的PLC設(shè)備的電源需求是八十五伏到兩百四十伏之間，因此傳統(tǒng)的輸入電路足夠使用。但是如果從環(huán)境來看的話，尤其是在礦井下，整個環(huán)境是非常惡劣的，因此供電是存在很大的不穩(wěn)定性。所以為了保障供電穩(wěn)定性，要對輸入電路加裝一些凈化元件，比如說電源濾波器或者是隔離變壓器等。同時還可以使用雙鱷梨技術(shù)，這可以減少脈沖的干擾。此外，還需要在輸入電路上加裝一些保險絲，這可以防止短路的出現(xiàn)。其次，還需要對系統(tǒng)的輸出電路進行優(yōu)化，這個工作需要根據(jù)煤礦的實際需求進行，對于各種指示標(biāo)志或者是調(diào)速裝置等，一定要采用晶體管，這可以使得其動作的高頻性得到應(yīng)用，并且也可以提高響應(yīng)的速度。所以做好系統(tǒng)的抗干擾工作是非常重要的，整個工作可以從三個方面進行，第一個方面是使用隔離變壓器，并且將中性點接地，這種方法的隔離效果是非常好的，應(yīng)用效果也比較好；第二個方面是使用金屬外殼進行電磁屏蔽工作，這種方法的成本是比較高的，而且安全性比較差；第三個方面就是進行布線工作的優(yōu)化，這種方法需要進行嚴(yán)格的設(shè)計，并且抗干擾能力雖然較強，但是卻無法做到完全隔離。

②軟件優(yōu)化設(shè)計。軟件的優(yōu)化設(shè)計可以從兩個方面進行，第一個方面是從軟件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方面進行，在這個方面中可以分為兩個不同的結(jié)構(gòu)形式，首先是基本程度模式，這種模式的應(yīng)用是基礎(chǔ)的，并且基本上所有的煤礦在進行電氣自動化控制系統(tǒng)設(shè)計中都會應(yīng)用。其次是模塊化設(shè)計模式，這種模式的應(yīng)用可以有效拓展未來系統(tǒng)的升級潛力，尤其是對于一些大中型煤礦而言，其自動化控制系統(tǒng)的功能會隨著開采進度進行不斷的更新?lián)Q代，所以在這個背景下使用模塊化設(shè)計，這可以有效地提高系統(tǒng)設(shè)計的效率，提高煤礦開采的效率。而且模塊化的設(shè)計使得相關(guān)的調(diào)整工作更為有效，速度也更快。第二個方面為程序設(shè)計優(yōu)化，簡單來講就是對I/O點的分配進行優(yōu)化，這個就需要對整個自動化控制需求進行調(diào)查，并且做好相關(guān)的編號工作，這樣進行I/O點的分配時會更為有效和精準(zhǔn)。

4.結(jié)束語

總而言之，在目前技術(shù)和社會快速發(fā)展的背景下，煤礦電氣自動化控制系統(tǒng)的應(yīng)用會越來越廣泛，并且應(yīng)用也會得到普及，而且控制系統(tǒng)的先進性也會不斷地提高，這會直接促進煤礦開采的作業(yè)效率，還會強化煤礦生產(chǎn)的安全性。當(dāng)然，在具體的應(yīng)用中自動化控制系統(tǒng)需要根據(jù)實際進行一些變革，這樣才可以使得控制系統(tǒng)的適配性增強，提高煤礦的開采效率。同時，在進行優(yōu)化設(shè)計的過程中，需要創(chuàng)新系統(tǒng)的設(shè)計方案，因為傳統(tǒng)的方案根本就不是因新技術(shù)的融合和新場景的應(yīng)用，所以根據(jù)實際情況進行方案設(shè)計和創(chuàng)新，這可以提高自動化控制系統(tǒng)的應(yīng)用效能。此外，整個煤礦電氣自動化控制系統(tǒng)是一個有序的系統(tǒng)性工程，所以在進行設(shè)計優(yōu)化的過程中要進行不斷的試錯，通過不斷的試錯才可以完善系統(tǒng)。