煤礦電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究

高亞超

摘? 要：我國(guó)正在推進(jìn)能源轉(zhuǎn)型，促進(jìn)能源使用的生態(tài)化和可持續(xù)化。就目前而言，煤炭仍是我國(guó)的主要能源來(lái)源，并將在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)保持這一地位。為了適應(yīng)能源生態(tài)化與可持續(xù)化的要求，煤炭相關(guān)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)應(yīng)該提升煤礦開(kāi)采的自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦的高效綜合利用和保護(hù)性開(kāi)采。該文基于煤礦自動(dòng)化趨勢(shì)的現(xiàn)實(shí)背景，對(duì)煤礦電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，期望能幫助促進(jìn)我國(guó)煤炭行業(yè)的電氣自動(dòng)化水平提升。

關(guān)鍵詞：煤礦設(shè)計(jì)? 電氣自動(dòng)化? 控制系統(tǒng)? 設(shè)計(jì)研究

中圖分類(lèi)號(hào)：TP18? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2021）04（a）-0044-03

Research on Innovative Design of Coal Mine Electric Automation Control System

GAO Yachao

（Shaanxi Yanchang Petroleum mining industry Balasu Coal Industry Co.， Ltd.， YuLin， Shaanxi? Province， 719000 China）

Abstract： China is promoting energy transformation， promoting the ecological and sustainable use of energy. At present， coal is still the main energy source of our country， and will keep this status for a long time. In order to meet the requirements of energy ecology and sustainability， coal enterprises and research institutions should enhance the automation level of coal mining， and realize the high-efficient comprehensive utilization and protective mining. Based on the practical background of Coal Mine Automation Trend， the paper designs the coal mine electrical automation control system， hoping to help promote the level of electrical automation in China's coal industry.

Key Words： Coal mine design; electrical automation; Control system; Design research

煤礦電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)對(duì)煤礦的開(kāi)采經(jīng)營(yíng)至關(guān)重要，是提升煤礦開(kāi)采效率，保證煤礦員工安全，實(shí)現(xiàn)生態(tài)開(kāi)采的重要基礎(chǔ)。筆者的相關(guān)設(shè)計(jì)包括監(jiān)控系統(tǒng)、預(yù)警系統(tǒng)和自動(dòng)化作業(yè)系統(tǒng)3個(gè)部分內(nèi)容。該集成系統(tǒng)可以全過(guò)程監(jiān)控煤礦企業(yè)的生產(chǎn)，保證自動(dòng)化控制效果，希望能對(duì)業(yè)界同仁和科研人員有所啟迪。

1? 自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 自動(dòng)化基礎(chǔ)監(jiān)控

自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的核心是礦山調(diào)度中心，該調(diào)度中心應(yīng)該能夠全方面監(jiān)視和控制煤礦生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程[1-2]。調(diào)度中心位于地上部分，能夠通過(guò)企業(yè)內(nèi)部安全網(wǎng)絡(luò)控制地上和地下所有工作人員和運(yùn)營(yíng)設(shè)備，保證對(duì)人員的安全調(diào)度和對(duì)機(jī)器設(shè)備的科學(xué)使用，保證煤礦的無(wú)休息運(yùn)行。工程師在該部分的設(shè)計(jì)中，期望調(diào)動(dòng)中心達(dá)到優(yōu)化煤礦生產(chǎn)過(guò)程，提高煤礦生產(chǎn)效率的預(yù)期效果[3-4]。相關(guān)設(shè)計(jì)人員在對(duì)自動(dòng)化基礎(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)之初，就已經(jīng)清楚地認(rèn)識(shí)到設(shè)備的單純擴(kuò)大化，生產(chǎn)出僅僅是動(dòng)力更加強(qiáng)勁、體積更加龐大的采礦機(jī)械并不利于采礦企業(yè)效益的提升，不利于資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

1.2 自動(dòng)化運(yùn)輸監(jiān)控

自動(dòng)化運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)主要監(jiān)控煤流在礦企內(nèi)部的輸送全過(guò)程。該系統(tǒng)不但監(jiān)控工作面巷道煤流運(yùn)輸、帶式機(jī)煤流輸送、煤倉(cāng)輸送等過(guò)程，而且協(xié)調(diào)不同煤流輸送設(shè)備的工作進(jìn)度，可以保障全部輸送過(guò)程的穩(wěn)定、可靠，保障運(yùn)輸系統(tǒng)的持續(xù)高效運(yùn)行。自動(dòng)化的煤流運(yùn)輸系統(tǒng)可以對(duì)煤礦的運(yùn)輸過(guò)程進(jìn)行全新的科學(xué)化安排，提高煤流運(yùn)輸?shù)暮侠硇裕軌驕p少在煤流運(yùn)輸過(guò)程中的變動(dòng)問(wèn)題的出現(xiàn)，可以精簡(jiǎn)對(duì)于不必要員工的設(shè)置，節(jié)約成本，提高運(yùn)輸效率。基于煤流運(yùn)輸環(huán)節(jié)的自動(dòng)化，相關(guān)的主要機(jī)械設(shè)備和輔助設(shè)備可以長(zhǎng)時(shí)間處于被運(yùn)行狀態(tài)，不會(huì)像人工一樣因?yàn)榍榫w、態(tài)度等出現(xiàn)工作失誤或者工作效率變慢的情況。因?yàn)闄C(jī)械是不會(huì)被人類(lèi)的情感因素所影響的，自動(dòng)化煤流運(yùn)輸系統(tǒng)能夠提高企業(yè)的煤流運(yùn)輸?shù)目煽啃?，保證生產(chǎn)和運(yùn)輸環(huán)節(jié)的穩(wěn)定持續(xù)。在自動(dòng)化運(yùn)輸中，全部的運(yùn)輸過(guò)程都處于系統(tǒng)控制之下，系統(tǒng)的高精度決定了運(yùn)輸系統(tǒng)的高質(zhì)量，其能夠在相當(dāng)敏感的數(shù)量級(jí)情況下進(jìn)行煤礦的運(yùn)輸，能夠提高煤礦系統(tǒng)的整體質(zhì)量。該系統(tǒng)可以將煤流運(yùn)輸信息實(shí)時(shí)輸送到基礎(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)，并將分析后的信息傳輸?shù)较嚓P(guān)工作人員的接收設(shè)備，實(shí)現(xiàn)不同工作人員基于系統(tǒng)調(diào)度的互相配合，保證工作的效率與科學(xué)。

1.3 自動(dòng)化物流監(jiān)控

自動(dòng)化物流監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控不同礦井空間與礦井和地上空間的物流運(yùn)輸過(guò)程。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物流過(guò)程信息、物流設(shè)備信息、物流人員信息等的數(shù)據(jù)化監(jiān)控。當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，物流監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)將異常信息做成異常分析報(bào)告?zhèn)鬏數(shù)交A(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)，組織調(diào)度相關(guān)人員和自動(dòng)化設(shè)備調(diào)整物流運(yùn)行過(guò)程，保證物流運(yùn)輸?shù)募皶r(shí)、可靠。系統(tǒng)可以根據(jù)物品不同對(duì)運(yùn)輸對(duì)象進(jìn)行科學(xué)分類(lèi)，根據(jù)分類(lèi)不同自動(dòng)配置物流運(yùn)輸?shù)臄?shù)量與速度，配合企業(yè)的生產(chǎn)、運(yùn)輸計(jì)劃。當(dāng)發(fā)生部分生產(chǎn)資料不足的臨時(shí)狀況時(shí)，系統(tǒng)可以根據(jù)物流運(yùn)輸目標(biāo)的調(diào)整自動(dòng)調(diào)整物流運(yùn)輸計(jì)劃，保證生產(chǎn)資料的優(yōu)先運(yùn)輸，保證總體生產(chǎn)狀況的穩(wěn)定。物流運(yùn)輸?shù)拿恳慌_(tái)設(shè)備都通過(guò)內(nèi)部物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)聯(lián)結(jié)到物流監(jiān)控中心，因此可以保證物流計(jì)劃實(shí)施的可控性。

1.4 自動(dòng)化綜掘監(jiān)控

自動(dòng)化綜掘系統(tǒng)監(jiān)控綜掘作業(yè)的運(yùn)行。綜掘作業(yè)目前主要以人工為主。該系統(tǒng)不但可以為員工提供數(shù)據(jù)分析和策略的幫助，還可以連接自動(dòng)化綜掘設(shè)備。當(dāng)企業(yè)進(jìn)行設(shè)備更替，用機(jī)器人等代替人工之時(shí)，就可以直接利用綜掘監(jiān)控系統(tǒng)控制機(jī)器人的綜掘作業(yè)，實(shí)現(xiàn)工作方式變更的無(wú)縫銜接。通過(guò)自動(dòng)化的綜掘監(jiān)控系統(tǒng)與自動(dòng)化設(shè)備的連接，綜掘作業(yè)可以釋放出更多的設(shè)備資源，能夠減少對(duì)綜掘機(jī)械的不當(dāng)使用和過(guò)度使用，提高綜掘設(shè)備和其他相關(guān)輔助設(shè)備的使用壽命。同時(shí)，自動(dòng)化的綜掘及其監(jiān)控工作，還能夠降低機(jī)械的維修成本和維修壓力，讓自動(dòng)化綜掘系統(tǒng)始終處于最佳使用狀態(tài)之下。即便是人工的綜掘作業(yè)，該系統(tǒng)也可以對(duì)員工的掘進(jìn)、搭棚、打錨桿、填充等行為進(jìn)行安全性分析和評(píng)價(jià)，為員工提供改進(jìn)策略，大幅度降低工作的危險(xiǎn)性，提升員工工作的效率。在綜掘作業(yè)發(fā)生危險(xiǎn)之前，該系統(tǒng)可以根據(jù)監(jiān)測(cè)到的安全數(shù)據(jù)提醒工作人員及時(shí)遠(yuǎn)離危險(xiǎn)場(chǎng)地，保證員工的生命安全。

1.5 自動(dòng)化綜采監(jiān)控

自動(dòng)化綜采監(jiān)控系統(tǒng)可以監(jiān)控和調(diào)度綜采工作面，根據(jù)工作面的數(shù)量不同，可以協(xié)同不同工作面的工作。該系統(tǒng)能夠同時(shí)監(jiān)控和協(xié)調(diào)不同工作面的工作，監(jiān)控從工作面到輸送帶的全過(guò)程，保證綜采監(jiān)控系統(tǒng)與運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)的有效銜接。該系統(tǒng)能夠運(yùn)用數(shù)據(jù)中心對(duì)綜采工作進(jìn)行自動(dòng)分析，出現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示異常時(shí)自動(dòng)報(bào)警，啟動(dòng)預(yù)備措施，保證綜采工作的安全。該系統(tǒng)同時(shí)提供可視化的數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)工作人員與自動(dòng)化平臺(tái)間的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。工作人員可以在自動(dòng)運(yùn)行與人工運(yùn)行的模式之間自行選擇。在日常的綜采工作中，該系統(tǒng)可以代替人工對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，根據(jù)設(shè)備的使用情況合理調(diào)整設(shè)備功率和使用頻率，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，降低企業(yè)經(jīng)營(yíng)成本。當(dāng)井下發(fā)生安全危險(xiǎn)時(shí)，該系統(tǒng)能夠根據(jù)監(jiān)測(cè)裝置全面檢測(cè)危險(xiǎn)發(fā)生地?cái)?shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)系統(tǒng)分析危險(xiǎn)發(fā)生的成因，提出自動(dòng)化解決方案。當(dāng)需要員工進(jìn)行人工操作時(shí)，系統(tǒng)可以分析提供最佳操作方案，并實(shí)時(shí)監(jiān)控作業(yè)的環(huán)境，保證維修高效與安全。工作人員還可以利用系統(tǒng)建立溝通交流平臺(tái)，保證人員間的工作協(xié)調(diào)。

2? 自動(dòng)化預(yù)警系統(tǒng)

除了監(jiān)控系統(tǒng)之外，該集成系統(tǒng)還擁有自動(dòng)化預(yù)警中心，將監(jiān)控系統(tǒng)中的危險(xiǎn)信息進(jìn)行集中分析與處理，判斷危險(xiǎn)等級(jí)，及時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)。該預(yù)警系統(tǒng)相當(dāng)于全面醫(yī)生，能對(duì)礦企的整體運(yùn)行狀況按時(shí)進(jìn)行分析，從對(duì)數(shù)據(jù)的搜集、整理、分析判斷煤礦生產(chǎn)的整體安全水平，提前發(fā)現(xiàn)煤礦的安全風(fēng)險(xiǎn)，在全局層面提供風(fēng)險(xiǎn)化解方案。當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)時(shí)，會(huì)對(duì)礦山的整體運(yùn)行進(jìn)行日常的維護(hù)與分析，定制危險(xiǎn)等級(jí)分析和危險(xiǎn)可能來(lái)源的報(bào)告。該系統(tǒng)的定制報(bào)告可以根據(jù)相關(guān)工作人員的請(qǐng)求進(jìn)行有針對(duì)的地變化。當(dāng)相關(guān)工作人員有特定方面的安全因素分析需求時(shí)，工作人員可以利用自動(dòng)化預(yù)警系統(tǒng)定制具體的數(shù)據(jù)收集和分析報(bào)告。該報(bào)告可以是基于所特定的數(shù)據(jù)觀察點(diǎn)的數(shù)據(jù)而被搜集整理而成，也可以是基于其他維修人員的工作報(bào)告整理而成，還可以是基于設(shè)備的日常運(yùn)行數(shù)據(jù)而被制作而成。相關(guān)人員利用安全情況分析報(bào)告可以準(zhǔn)確掌握每天的煤礦運(yùn)行狀況，保證自身的工作安全，盡量減低安全風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率。相關(guān)工作人員也應(yīng)該定時(shí)更新自動(dòng)化預(yù)警系統(tǒng)的安全分析能力，保證安全分析的正常進(jìn)行。當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)時(shí)，預(yù)警系統(tǒng)會(huì)判斷分析危險(xiǎn)源對(duì)其他煤礦部分的安全影響等級(jí)，同時(shí)將每一次危險(xiǎn)事故進(jìn)行記錄，為企業(yè)負(fù)責(zé)人的安全和生產(chǎn)決策提供經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)支持。預(yù)警系統(tǒng)還會(huì)根據(jù)工作職務(wù)的不同發(fā)布不同的針對(duì)性命令，保證在發(fā)生警報(bào)情況下的各部門(mén)之間的密切配合，保證安全保障工作的正確運(yùn)行。

3? 自動(dòng)化作業(yè)系統(tǒng)

3.1 自動(dòng)化井下作業(yè)

自動(dòng)化井下作業(yè)系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)井下與地面設(shè)備的整體運(yùn)行，保證井下采礦工作的全自動(dòng)化[5-6]。該部分的核心是高級(jí)別的數(shù)據(jù)處理和控制軟件，需要企業(yè)有信息技術(shù)方面的支持。該系統(tǒng)可以保證井下支持系統(tǒng)與工作系統(tǒng)的協(xié)調(diào)一致，保證采掘工作的科學(xué)、高效。該系統(tǒng)應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)井下相關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)的及時(shí)上傳，在上傳之前，該系統(tǒng)應(yīng)該可以對(duì)井下作業(yè)的相關(guān)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)先處理，減少需要上傳的數(shù)據(jù)量，提升數(shù)據(jù)上傳效率，提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。而地面的信息傳輸與處理中心能夠及時(shí)自動(dòng)處理上傳的信息數(shù)據(jù)，根據(jù)井下作業(yè)環(huán)境的實(shí)際變化更改設(shè)備數(shù)據(jù)，保證井下設(shè)備的合理運(yùn)行。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了根據(jù)作業(yè)環(huán)境變化進(jìn)行設(shè)備數(shù)據(jù)隨時(shí)變化的能力。該系統(tǒng)不止應(yīng)該能控制井下作業(yè)和井上設(shè)備的運(yùn)行，還應(yīng)該能夠控制相關(guān)的水、電、風(fēng)等要素的供給，實(shí)現(xiàn)對(duì)采礦環(huán)境的一體化控制的功能。該系統(tǒng)可以通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和芯片控制系統(tǒng)控制全部井上、井下設(shè)備，集中運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)各個(gè)環(huán)節(jié)的自動(dòng)化銜接。

3.2 自動(dòng)化綜采工作面

自動(dòng)化綜采工作面系統(tǒng)能夠自動(dòng)控制工作面的運(yùn)行，自動(dòng)變更工作面狀況，適應(yīng)綜采環(huán)境。該系統(tǒng)同樣需要計(jì)算機(jī)軟件的支持。大數(shù)據(jù)、芯片、云計(jì)算等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展可以給該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)帶來(lái)技術(shù)支撐。利用該系統(tǒng)，煤礦企業(yè)可以在視覺(jué)上直接控制各種現(xiàn)代化采煤機(jī)械的運(yùn)行，保證采煤機(jī)械的運(yùn)行與電腦顯示相一致。利用該系統(tǒng)，煤礦企業(yè)可以檢測(cè)所有設(shè)備的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)和當(dāng)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的合理性和科學(xué)性，根據(jù)數(shù)據(jù)變化及時(shí)變更數(shù)據(jù)運(yùn)行狀態(tài)。利用該系統(tǒng)，煤礦企業(yè)可以在虛擬空間內(nèi)對(duì)綜采工作面進(jìn)行監(jiān)督和控制，可以處理綜采工作面的問(wèn)題。利用該系統(tǒng)，煤礦企業(yè)可以自由調(diào)整工作面的具體工作細(xì)節(jié)，保證綜采工作面與煤礦開(kāi)采計(jì)劃的一致性，保證企業(yè)經(jīng)營(yíng)秩序的正常。利用該系統(tǒng)，煤礦企業(yè)可以根據(jù)綜采工作面的具體情況進(jìn)行對(duì)相關(guān)機(jī)械的再次賦值，保證設(shè)備運(yùn)行的適當(dāng)性。煤礦企業(yè)可以積極收購(gòu)或者研發(fā)煤礦軟件，保證綜采系統(tǒng)的完善。

4? 結(jié)語(yǔ)

煤礦電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)煤礦產(chǎn)業(yè)的高效率運(yùn)行，生態(tài)化運(yùn)行。在世界能源格局多變，能源供應(yīng)不穩(wěn)定的背景下，礦企應(yīng)該積極利用自動(dòng)化技術(shù)提高對(duì)煤礦的開(kāi)采水平，保證我國(guó)的能源安全和生態(tài)安全。

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