煤礦電氣自動化控制系統設計及優化

（晉能控股煤業集團馬道頭煤業有限責任公司 山西 037000）

煤礦在我國的經濟結構中占據了很大的一個比重，而且在我國的能源結構中煤炭占據了很重要的地位，并且也是我國能源的保障。雖然現在我國在不斷地促進能源多元化的發展，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的發展也比較的關注。傳統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。所以隨著技術的發展和進步，自動化控制系統被研發了出來，并且應用在了煤礦的開采作業中，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，隨著社會的發展以及技術的進步，煤礦開采過程中自動化的程度會越來越高，并且生產也會更為高效，安全性也會有很好的保障。

1.相關概述

（1）控制系統概述。煤炭是傳統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了非常大的比重，雖然現在國家已經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，這就需要應用電氣自動化技術，其不但可以提高資源的利用效率，而且還可以為國家的經濟發展貢獻一份力量。整個電氣自動化控制系統的組成主要是單片機，其中包括電源、防水和斷電設備以及通風機等。而單片機對于環境的適應性是比較弱的，所以在進行選擇和操作的過程中要非常地仔細和謹慎，因為一旦出現了漏水事故，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化，進而實現相關數據的采集和傳輸工作，保護工作是非常重要的，其主要集中在斷電和通風兩個方面。

（2）控制系統現狀。煤礦開采自動化是世界上煤礦發展的主要趨勢，當然目前還無法實現全部自動化，但是局部的自動化卻已經可以實現了。目前的自動化系統已經開始實現煤礦開采工作的監控以及故障診斷工作，甚至一些設備還可以實現自動維護工作，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，并且我國還發布了《煤礦自動化規劃》的文件，其中對于煤礦的自動化程度進行了要求，這使得節能降耗的原則被很好地落實到了煤礦的開采當中。至于自動化控制技術的應用在很多行業都已經完成了普及工作，并且在很多行業的應用也趨于成熟，所以將這些成熟的產品應用于煤礦的開采中，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.優化設計分析

（1）煤礦控制網絡。①本地網絡結構。自動化控制系統主要是在本地網絡中使用，即在每一個地區都會形成一個環域網，其主要的目的就是控制相關的設備進行數據的采集，然后應用其他的控制器進行相關數據的輸出工作，這樣整個系統中數據的采集和輸出屬于不同的設備，因此安全性得到了很好的保障[1]。②系統工作內容。煤礦的整個自動化控制部分可以分為兩個部分，內部主要是對數據進行采集和上傳工作，而外部則是相關的管理中心和監控中心，其主要的作用就是下達相關指令保障系統的正常運行。在這個系統中比控制系統的應用是非常關鍵的，其可以對工作強度以及性質進行嚴格的把控。

（2）PLC系統的組成。①煤礦長度影響。煤礦的長度對于PLC系統的影響是非常大的，根據煤礦不同的長度要選擇不同的PLC相關元件，這樣才可以保障PLC芯片的功能得到很好地發揮。根據目前的技術，煤礦的長度越長，那么在進行相關數據的采集以及生產監控的難度就越大，所以對于PLC元件的精度要求就越高。②應用內容與要求。照明系統和通風系統是煤礦中兩個非常重要的系統，所以對于這兩個系統的監控工作要做好，如果這兩個系統出現問題那么會直接影響煤礦開采的工作效率，甚至會引起一些安全事故的發生。

3.系統優化策略

(1)設備選型優化

①明確煤礦規模。煤礦開采的規模是在進行系統設計過程中必須進行的一項準備工作，因為只有掌握了煤礦開采規模才可以有效地進行自動化控制系統規模的設計，并且確定相關PLC設備的選型工作。就以德國西門子的相關產品為例，針對煤礦開采過程中出現的瓦斯濃度進行檢測就可以選用SIEMENS S7-200，這種設備的靈敏度非常高，而且檢測范圍也比較廣泛，可以做好良好的預警作用。如果要針對礦井進行監控，那么這個系統就比較復雜，所以在選用PLC設備的過程中要選取大型設備，因為只有這種設備才可以對海量數據進行傳輸和處理，并且為控制室的相關人員提供重要的依據。

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對于瓦斯監測以及結構強度等內容不需要十分的嚴格，并且所使用的I/O點數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容。同時，在進行設計優化的過程中要對I/O點進行統計，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，對于設備的頻率也需要進行統計，這樣在選擇相關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品商家規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的應用使用的是梯形圖編程，具有很好的直觀性，并且應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，這種模式的應用效率是最高的，但是其開發的價格是比較高的，并且調試過程也比較長，一般的應用都在大型或者是超大型的煤礦中。本質上編程工具的應用對于煤礦的電氣自動化控制具有非常重要的意義，但是在具體的應用中應該根據煤礦的實際情況進行選擇。

(2)系統架構優化

①硬件優化設計。在系統的設計優化工作中，首先要進行輸入電力的優化工作，從電壓方面來看，一般的PLC設備的電源需求是八十五伏到兩百四十伏之間，因此傳統的輸入電路足夠使用。但是如果從環境來看的話，尤其是在礦井下，整個環境是非常惡劣的，因此供電是存在很大的不穩定性。所以為了保障供電穩定性，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，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。其次，還需要對系統的輸出電路進行優化，這個工作需要根據煤礦的實際需求進行，對于各種指示標志或者是調速裝置等，一定要采用晶體管，這可以使得其動作的高頻性得到應用，并且也可以提高響應的速度。所以做好系統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化，這種方法需要進行嚴格的設計，并且抗干擾能力雖然較強，但是卻無法做到完全隔離。

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

4.結束語

總而言之，在目前技術和社會快速發展的背景下，煤礦電氣自動化控制系統的應用會越來越廣泛，并且應用也會得到普及，而且控制系統的先進性也會不斷地提高，這會直接促進煤礦開采的作業效率，還會強化煤礦生產的安全性。當然，在具體的應用中自動化控制系統需要根據實際進行一些變革，這樣才可以使得控制系統的適配性增強，提高煤礦的開采效率。同時，在進行優化設計的過程中，需要創新系統的設計方案，因為傳統的方案根本就不是因新技術的融合和新場景的應用，所以根據實際情況進行方案設計和創新，這可以提高自動化控制系統的應用效能。此外，整個煤礦電氣自動化控制系統是一個有序的系統性工程，所以在進行設計優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。