煤礦電氣自動化控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計分析

陜西煤化機電安裝有限公司 李 欣

伴隨著社會的發(fā)展，人們逐漸意識到生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要性，但是清潔能源的使用經(jīng)驗不足、開發(fā)成本較高，只能小區(qū)域試行，難以實現(xiàn)大面積推廣，因此煤炭依然是我國最重要的能源之一。在當(dāng)前科學(xué)技術(shù)取得豐碩成果的背景下，機電自動化控制進(jìn)入了煤炭采挖領(lǐng)域，這種技術(shù)屬于集成化控制措施，在煤礦開采作業(yè)中應(yīng)用廣泛，不僅可以簡化回采作業(yè)流程，還可以集中控制井下設(shè)備，能有效提升礦井作業(yè)效率與精度，還能提高煤炭生產(chǎn)效率和企業(yè)經(jīng)濟(jì)收益，既保證了安全生產(chǎn)的底線，又能滿足社會各領(lǐng)域?qū)γ禾康男枨蟆?/p>

1 煤礦電氣自動化控制系統(tǒng)概述

1.1 煤礦電氣自動化控制系統(tǒng)的內(nèi)涵

由于計算機科學(xué)與工程的不斷探索，加之機械與電力學(xué)科的深入研究，電氣自動化領(lǐng)域得到了初步的發(fā)展。在實際的生產(chǎn)過程中，該系統(tǒng)借助于可編程邏輯控制器（即PLC 系統(tǒng)），針對礦中地質(zhì)條件、溫度條件等具體環(huán)境做出合理預(yù)判，并在此基礎(chǔ)上，通過完成邏輯運算、時序控制等基礎(chǔ)操作，達(dá)到控制CPU 信號變化的目的，對煤炭采挖過程中的通風(fēng)、供電、排水等環(huán)節(jié)進(jìn)行自動化控制，最終實現(xiàn)減少人工操作、高質(zhì)量完成采煤的控制工作[1]。

1.2 煤礦電氣自動化控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，各行業(yè)領(lǐng)域開始應(yīng)用自動化技術(shù)，尤其是核電業(yè)、火電廠、煤礦業(yè)、石油化工領(lǐng)域，呈現(xiàn)出現(xiàn)代化、自動化的發(fā)展趨勢，同時可以結(jié)合國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)與成熟經(jīng)驗，來制定標(biāo)準(zhǔn)的煤礦信息化、自動化解決方案。

縱觀國際煤礦行業(yè)的發(fā)展態(tài)勢，可以發(fā)現(xiàn)自動化是未來的技術(shù)發(fā)展趨勢。自動化控制系統(tǒng)可以使煤礦企業(yè)實現(xiàn)診斷、監(jiān)控、維護(hù)一體化，緩解開采人員的負(fù)擔(dān)。如果將自動化技術(shù)與計算機技術(shù)相結(jié)合，可以優(yōu)化整合煤礦生產(chǎn)信息。對于主力生產(chǎn)礦井，由于原本的自動化水平相對較高，為了集中控制設(shè)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(chǎn)相關(guān)問題，進(jìn)行自動化優(yōu)化與改造。另外，企業(yè)通過子系統(tǒng)帶動的方式逐漸研發(fā)出綜合化系統(tǒng)，用以維護(hù)礦井人員安全，全面提升開采作業(yè)效率，實現(xiàn)節(jié)能降耗目標(biāo)。

1.3 煤礦電氣自動化控制系統(tǒng)的突出優(yōu)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(zhì)條件影響而發(fā)生垮塌、倒灌等生產(chǎn)事故，所以很難確保井下作業(yè)人員的生命安全。引入電氣自動化控制系統(tǒng)后，一方面可以減少人工投入，避免大量煤礦從業(yè)人員同時作業(yè)；另一方面可以為井下條件的預(yù)測、各環(huán)節(jié)的控制起到輔助作用，為井下作業(yè)人員提供后勤保障。

除了安全生產(chǎn)以外，借助電氣自動化控制系統(tǒng)還可以提高煤炭采挖效率與產(chǎn)量，一方面，機器設(shè)備的工作效率天然地高于人工效率；另一方面，使用機器設(shè)備可以減少因考慮安全生產(chǎn)帶來的額外成本，如補給的運送、井下環(huán)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(tǒng)可以明顯提高產(chǎn)煤質(zhì)量，由于其采用計算機編程和人工智能技術(shù)等新興科技，能較準(zhǔn)確地預(yù)判煤炭品質(zhì)優(yōu)劣，加之系統(tǒng)具備自我更新的能力，可以實現(xiàn)精準(zhǔn)的優(yōu)質(zhì)煤采挖，避免因人工的盲目性導(dǎo)致所采煤炭品質(zhì)低劣。

2 煤礦電氣自動化控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

2.1 設(shè)備選型優(yōu)化

2.1.1 開展礦井規(guī)模探查工作

在借助自動化控制系統(tǒng)展開煤炭采挖工作之前，務(wù)必進(jìn)行針對礦井規(guī)模的探查工作，在明確了解井下規(guī)模與環(huán)境條件后，再以此為根據(jù)有針對性地規(guī)劃電氣自動化控制系統(tǒng)，并借此完善采挖設(shè)施的種類選擇工作。在實際生產(chǎn)過程中，一般以井下環(huán)境特點和作業(yè)目的作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。例如，對于瓦斯?jié)舛任粗牡V井，可以選用德國某品牌的一款專用設(shè)備，具備檢測數(shù)值極為靈敏的特點，適用于井下瓦斯?jié)舛葴y量，可以為井下作業(yè)人員提供幫助[2]。此外，如果以監(jiān)測礦井整體環(huán)境為目的則不宜選用上述機器，而應(yīng)采用運算量大、運算效率高的專用設(shè)施，以支持井下全面、完整、大量的數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)與得到的結(jié)果參數(shù)，根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗得知，I/O 點的數(shù)目及種類至關(guān)重要。對于氣候條件正常、地質(zhì)條件簡單的礦井而言，往往僅需要少數(shù)幾個I/O 點即可滿足監(jiān)測需求；但是對于氣候條件異常、地質(zhì)條件復(fù)雜的礦井而言，必須選取多個I/O 點，且必要時應(yīng)當(dāng)保證種類的多樣性，這樣才能保證復(fù)雜環(huán)境下監(jiān)測的需要。

除了上述限制以外，對于I/O 點的數(shù)量，業(yè)界一般認(rèn)為設(shè)計規(guī)劃應(yīng)多于實際使用，以達(dá)到預(yù)留機動空間的目的，防止突發(fā)情況導(dǎo)致部分I/O 點無法發(fā)揮作用；但也應(yīng)當(dāng)注意在合理的范圍內(nèi)預(yù)留I/O點，保證整體工作的I/O 點充足。相似地，應(yīng)當(dāng)提前進(jìn)行機械設(shè)施技術(shù)參數(shù)的規(guī)劃，避免在設(shè)備選購和相關(guān)配套跟進(jìn)方面產(chǎn)生差錯，導(dǎo)致工期延誤、成本上升等問題。

2.1.3 明確各類編程設(shè)備的特點

在實際生產(chǎn)過程中，礦井的環(huán)境條件千變?nèi)f化，為了適應(yīng)不同的礦井，應(yīng)當(dāng)明確各類編程設(shè)備的特點，從而有針對性地挑選適用于當(dāng)前礦井的編程設(shè)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(shè)備，該設(shè)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(yán)格；如果礦井的各方面條件處于正常水平，應(yīng)當(dāng)使用圖形編程設(shè)備并進(jìn)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(yīng)用，能更好地適應(yīng)大多數(shù)礦井作業(yè)；如果煤礦規(guī)模較大、各方面條件較為復(fù)雜，必須選用編程效率最高的編程設(shè)備，一般認(rèn)為計算機搭配可編程邏輯控制器是最好選擇，但是該設(shè)備存在資金和時間成本投入較大的缺點。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化

2.2.1 完善硬件構(gòu)成體系

2.2.1.1 完善電路規(guī)劃

針對輸入電路應(yīng)當(dāng)確保兩點：配備電源凈化組件并將其輸入電壓設(shè)定為24V。對于前者，主要出于礦井條件的復(fù)雜性和不確定性的考量，由于電氣自動化控制設(shè)施極易受到井下環(huán)境破壞，一旦無法工作將嚴(yán)重影響井下煤炭采挖工作，所以通過安裝該組件實現(xiàn)對設(shè)施的保護(hù)；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(yù)的條件下，維持電路的正常工作，進(jìn)而保證電氣自動化控制設(shè)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(chǎn)生。對于前者，主要是由于工作設(shè)施所能接受的電壓頻率遠(yuǎn)小于電氣自動化控制設(shè)施的輸出電壓頻率，如果不對輸出電壓頻率進(jìn)行調(diào)整，受控的工作設(shè)施無法受到控制，極有可能影響受控工作設(shè)施的正常工作。以水泵機房為例，水泵設(shè)施所能接受的電壓頻率低于自動化控制設(shè)施的輸出頻率，后者高達(dá)每秒0.1次，所以前者無法對控制系統(tǒng)作出響應(yīng)，為了使前者適應(yīng)高頻率，可以采用繼電器對其頻率進(jìn)行調(diào)整，使其在正常頻率下順利工作；有的時候輸出頻率會遠(yuǎn)高于每秒0.1次，此時不應(yīng)隨意選用繼電器，一般認(rèn)為固態(tài)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(rèn)為涌浪電流會阻礙電氣自動化控制設(shè)施的正常運作，如果涌浪電流過大，甚至?xí)苯託目刂圃O(shè)施、延誤煤炭采挖工作，造成不可逆的損失。在實際生產(chǎn)實踐中，考慮到其產(chǎn)生于感性負(fù)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(chǎn)生，但是在一定程度上可以保護(hù)自動化控制設(shè)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(shù)情況下，煤礦中各方面條件均比較復(fù)雜，不利于自動化控制設(shè)施的平穩(wěn)運作，加之電磁干擾對控制設(shè)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(hù)，即使用金屬罩覆蓋在自動化控制設(shè)施周圍，借助大地的優(yōu)良導(dǎo)電性，將金屬罩與大地連接，從而將電磁脈沖導(dǎo)入大地，避免電磁干擾。

除此之外，也常采用隔離變壓器達(dá)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(yīng)當(dāng)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(shè)施的電路分布圖示為依據(jù)，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(xiàn)阻斷干擾的目的。

除了上述三種常用方法，還應(yīng)注意應(yīng)對涌浪電流的干擾與破壞，為達(dá)到此目的，可以通過電路圖的規(guī)劃與再編排，實現(xiàn)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(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗得知，煤礦采挖行業(yè)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(dá)155V，難以確保所需電壓的穩(wěn)定，從而容易導(dǎo)致因供電電壓浮動產(chǎn)生干擾影響，此時通過調(diào)整輸入電路規(guī)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(jié)構(gòu)的規(guī)劃

在煤炭采挖工作過程中，軟件的程序結(jié)構(gòu)影響到自動化控制的結(jié)果，與煤炭采挖工作效率間接掛鉤，因此軟件的程序結(jié)構(gòu)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(chǎn)能、又可以隨時修改以適應(yīng)環(huán)境變化。當(dāng)前工作背景下，單元化處理是保證隨時修改程序結(jié)構(gòu)的最優(yōu)方法，具體是指將軟件的程序結(jié)構(gòu)進(jìn)行功能上的區(qū)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(chǔ)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(zhǔn)確；在結(jié)構(gòu)調(diào)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(diào)整預(yù)留空間，在不影響其他單元工作的前提下實現(xiàn)對某一單元的精準(zhǔn)調(diào)整，使因調(diào)整軟件程序結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的影響降到最低，使完善程序結(jié)構(gòu)帶來的優(yōu)勢最大化。

2.2.2.2 完善針對程序工作流程的規(guī)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(jìn)行科學(xué)排布，在符合煤炭采挖作業(yè)實際條件的前提下，做到I/O點的數(shù)量滿足既不會缺乏也不會閑置的條件，實現(xiàn)需求高的區(qū)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(jìn)行時間控制，實現(xiàn)保證煤炭采挖工作平穩(wěn)、有序進(jìn)行的目的。

2.2.2.3 軟件程序的預(yù)期試運行

在自動化控制系統(tǒng)正式投入煤炭采挖工作之前，必須對其進(jìn)行功能的預(yù)期試運行，確保其工作的流暢度，否則容易導(dǎo)致采挖作業(yè)故障[3]。具體操作方法為：首先，進(jìn)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(wù)；其次，將各單元按照正確的工作流程進(jìn)行前后連接，確保每個工作節(jié)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(jié)語

綜上，為了在保證安全生產(chǎn)的前提下滿足當(dāng)前對煤炭資源的大規(guī)模應(yīng)用，保證社會各領(lǐng)域能源供應(yīng)安全，有必要采用電氣自動化控制設(shè)施，對煤炭采挖行業(yè)進(jìn)行技術(shù)革新。該項工作具有復(fù)雜性、專業(yè)性強等特點，會直接影響煤礦生產(chǎn)效率。另外，在實際生產(chǎn)過程中，還應(yīng)通過設(shè)施類型確定、軟硬件結(jié)構(gòu)完善等具體措施，優(yōu)化自動化控制設(shè)施，實現(xiàn)對煤炭采挖工作的全機械化自動控制，從而有效加強系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計質(zhì)量，維護(hù)礦井生產(chǎn)作業(yè)的安全性，提高煤炭采挖的工作效率，提升煤礦企業(yè)煤炭產(chǎn)能與經(jīng)濟(jì)收益。