露天煤礦開采工作中電氣自動化控制技術

丁建龍

（中煤平朔集團東露天礦，山西 朔州 036000）

0 引言

在露天煤礦開采工作中采用電氣自動控制技術，可以簡化煩瑣的工作，節省人力，提高工作效率，從而達到安全高效的生產目的。電氣自動化控制技術在煤礦生產中得到了廣泛的應用，其應用對降低生產成本、增強企業核心競爭力、增強企業整體安全保障能力具有重要的現實意義。

1 煤礦開采中電氣自動化技術發展狀況

1.1 目前軟硬件平臺發展狀況

對于電氣自動化系統來說，硬件設備是其工作的物質基礎。過去由于制造廠商和設備型號的差異，現階段某些部件造成損傷后，需要進行全系統的替換。在技術發展的同時，在硬件設施上也有了一定的進展。首先，從程序接口的角度來看，其標準化生產基本上已在大型礦井中實現。其次，工業控制標準達到了一個統一的標準。最后，在硬件設備中應用了分布式通信總線。通過分散式的控制方式，每個模塊都可以和現場的設備相連，每個設備都是監控現場的機器，也是命令的執行者。

1.2 當前計算機應用軟件領域的發展狀況

在電氣系統中，控制軟件是最重要的環節，引入采用監控軟件系統的電能自動監控管理系統，能使傳統煤礦無人守護的自動化生產方式變成現實。就目前的情況來看。在現代電氣自動化系統中，控制軟件的運用主要分為集中控制、遠距離監視和現場總線控制。且電氣自動化技術是將軟硬件相結合、智能化與科技運用為一體的系統高新技術，可實現生產安全化、自動化和現代化。

2 露天煤礦電氣自動化特征

2.1 露天煤礦機械電氣自動化特征

在實際生產的過程中通過將煤礦開采分成一礦一面或者一礦二面的分區方式來進行電氣自動化的開采，以此提高電氣自動化采礦設備的使用效率。同時，大型采礦設備通過電氣自動化的方式能夠有效提升煤礦開采的效率和質量[1]。設備通過電氣自動化的方式能夠具備更強的環境適應性和承載力，使采礦設備能夠將采礦、承載、搬運以及破碎等多種工序通過電氣自動化進行有效的連接，有效提升設備的生產效率，最大效率可達到480～2000 T。另外，由于其智能化程度非常高，對推進機電一體化的實現發揮著積極的作用，加之各種裝置的安全可靠程度及其卓越的機械特性，其在采掘過程中具有重要價值[2]。

2.2 露天煤礦監控設備電氣自動化特征

在露天煤礦的開采過程中，由于煤礦開采的環境較為復雜，并且存在一定的極端工作環境，因此通過在露天煤礦的監控設備中采用電氣自動化的方式能夠有效提升煤礦現場監控管理工作的效率。通過電氣自動化監控設備，能夠精準捕捉現場的各種情況，及時對現場存在的安全隱患進行排查，防止安全事故的發生。

3 露天煤礦電氣自動化技術的應用

3.1 卡車調度自動化系統在露天煤礦中的應用

露天煤礦卡車自動化調動系統是由計算機、通信、電子、自動控制、衛星定位、優化理論等技術組成的。在露天煤礦中，貨車調度系統的應用主要集中在貨車的調度上，傳統的人工調度和固定配車模式具有局限性，不能實時監測設備的位置和狀態，難以及時解決運輸中出現的問題。如何優化采運設備與運輸設備之間的關系，是目前露天煤礦生產企業所關心的問題，而貨車調度自動化系統的出現，為目前的問題提供了一種解決方案，既可以優化運輸路徑，又可以降低總運力，減少采裝和運輸設備的等候時間，并及時處理各種因素造成的無法操作等故障，減少生產、運輸過程中不必要的空跑和損耗，有效提升了采裝和運輸的效率。

運輸卡車調度管理系統的主要功能是獲取整礦裝置的情況、狀況、物料等數據，以便準確跟蹤與顯示貨車、電鏟等裝置的信息。首先，利用運輸汽車終端上的GPS 衛星定位設備，收集汽車的地理坐標、時刻等信號信息，再利用中間處理器加以處理，借助無線通信將這些信息傳輸到無線通信網絡中，進而在電子地圖上顯示出各汽車的位置。其次，監測中心將與車輛當前情況相關的地理信息傳送至車載終端，并將其結果展現在車載終端上。駕駛員能夠通過駕駛艙的顯示器查看自己的車輛以及其他汽車的情況，如滿負荷和無負荷，還能顯示采礦設備的工作或閑置狀態。最后，利用計算機測量出其周圍車輛的高度，并將數據呈現在屏幕上，通過聲音警告可能存在的威脅[3]。

根據目前的生產管理模式和實際管理經驗，制定符合生產中實際需要的貨車調度管理系統自動測量處理邏輯，在經過設計調整之后，在理論上能夠達到零失誤的自動測量準確度。但由于目前的貨物調度系統對生產管理人員、調度員、司機等來說還是新事物，要熟練掌握實際應用必須經過逐漸過渡的過程，所以目前實際生產數據還有1%的最大誤差。在此基礎上，提煉出產量完成度、目前交通飽和度、提前裝車法、電廠不平衡調節法等優化調度算法，實現了產量、設備利用率最大化，對各礦區的交通信息、各工程區位信息、各設施信息等實施了優化調整，使各大貨車的效果調度方案得到最優分配，以達到最大的生產力。根據現場生產進度和生產實際，結合交通規劃隨時為工作用車的調度運用提供建議。

該系統可以實現超時報警、離開規定范圍報警、無排放地點自卸車報警、汽車無故停放超時報警等各類報警功能，并通過車載終端將報警信息反饋給調度中心。系統還會記錄下報警地點、頻次和持續時間等，對安全行車具有促進的作用。

3.2 安全監控設備在露天煤礦開采電氣自動化技術中的應用

安全是礦井生產的第一要務，一旦出現事故，造成的后果將是難以想象的，而安全事故的嚴重后果也使人們深刻地認識到，提高礦井安全監測系統的自動化水平，可以有效預防各類安全事故，避免有關人員的生命和財產受到威脅。只有實時監測與預測礦井的各類數據，才能使礦井的安全監測系統實現自動化運行，預防礦井安全事故的發生。露天煤礦爆破區域需要管轄的區域極大，而項目建設資金、人員管理能力有限，因此需要結合圖像智能分析等技術，利用前端視頻監控，對監控區域內出現的人員、車輛進行行為分析和預警，從而提升項目投資效益和邊境區域管控的智能化水平。

露天煤礦爆破區域安全監控的總體目標是全程掌握爆破區域關鍵環節和現場工況，前端設備監控范圍覆蓋爆破警戒區域。通過后臺人形偵測和移動檢測算法判定是否有人或者移動設備進入視頻畫面警戒區域，當有人/車/移動設備進入警戒區域時，能夠在監控中心及時彈出報警彈窗，提示安全督察人員進行處理，實現爆破警戒區域的遠程監控和預警功能。安全監控設備的系統架構如圖1所示。

圖1 安全監控設備的系統架構

（1）工作原理。相機設備具備超遠距離、高穩定性、超高清等特點，可結合智能算法進行報警聯動，精準定位報警位置聯動高空瞭望變焦獲取細節監控畫面，以達到穩定不虛焦的效果，實現全方位、多視角、無盲區、全天候式的監控。并且只要物體溫度高于絕對零度（-273 ℃）就能輻射電磁波，因此，可以利用熱成像主要采集熱紅外波段（8～14 μm）的光，來探測物體發出的熱輻射，熱成像把熱輻射轉化為灰度值，再利用各物體的灰度值差異來成像，從而發現和識別目標。熱成像攝像機具有熱點檢測功能，當其監控范圍內出現發熱點時，通過植入前端周界算法，定義觸發報警規則，當熱點目標觸發報警規則時，熱成像攝像機能夠及時捕獲該熱點，并主動發出報警信息，達到提前報警防范的效果。此外，熱成像攝像機適用于夜晚對人、車的監控，能夠檢測到的最小目標需要在圖像上占用至少3 個以上像素點。

（2）需要對監控設備硬件結構進行設計，主要包括以下3 個方面：①防風沙惡劣環境設計。設備所處的爆破環境，有時會產生粉塵或風沙天氣，而在風沙環境中，很容易導致設備出現故障。例如，粉塵或沙粒進入攝像機內部，使移動部件被卡住，導致電氣接觸不良，線路惡化；加劇表面磨損，各種鹽分、有機物、有害氣體也會加速對光學玻璃和金屬的腐蝕；增加靜電并引起電氣噪聲；吸收濕氣，使材料的絕緣性能下降；由于導熱系數的降低，會對光學器件的光學性能產生影響，從而導致“積塵效應”“打磨效應”。因此，設備必須具有高級別的抗粉塵和風沙性能，才能在爆破產生的沙暴環境中保持平穩運轉。②防高溫高輻射設計。散熱設計可以對元件發熱量進行仿真評估，并使用大面積導熱墊配合全金屬底板和外殼充分散熱。高發熱量區域定制銅、鋁合金散熱片，采用大功率散熱風扇與散熱風道的設計。防輻射設計的白色外殼涂料具有高耐熱性和高穩定性，可以反射太陽輻射。遮陽罩隔熱設計可以減少遮陽罩與殼體間的接觸面積，有效緩解太陽輻射下殼體升溫。內部采用耐高溫零部件，在高溫環境中可以維持長時間穩定性。③低溫防護設計。云臺設備所處的環境，冬季氣溫很低，設備安裝位置偏遠或處于鐵塔上，如果遇到雨雪天氣，設備在斷電的狀態下，很可能導致設備結冰，進而導致云臺轉動部分被凍住，熱成像和可見光鏡頭部分被冰雪覆蓋，喪失圖像性能，造成設備無法啟用的問題。因此，需要測定機體內外溫度，根據內外溫度值制定相應防護策略，傳動部件采用耐低溫材料，使其在低溫環境中性能穩定。

（3）應用場景。利用熱成像技術深度學習的Smart原理，熱成像相機可以實時監控礦區的人員和車輛，同時還可以通過紅外光路，實現對目標的智能追蹤，使報警實現可視化。具體應用如下：①在系統上設置警戒線，當人或物體通過警戒線時警告規則將被觸發，熱成像攝像機會立刻發出警報并立即告知。②在系統上設置對應的警戒區域，當有物體越過警戒區域的邊緣進入警戒區時，警戒規則就會被觸發，熱象攝影機會立刻發出警報。

3.3 電氣自動化技術在露天煤礦運輸中的應用

我國擁有豐富的資源，礦產資源是國家的重要能源，但礦產資源是不可再生的，開采和勘探難度很高，開采工藝非常復雜。因此電力自動化技術在礦井生產中起著舉足輕重的作用，提高了礦井的生產效率。此外，電力自動化技術在運輸中也是不可或缺的。

從20世紀80年代初期開始，由于采用了自動化設備，采礦公司的產量有了很大的提升。大中型礦山普遍采用的輸送設備為輸送設備，可以將大量物料迅速從礦井下輸送到地表，并由交通監測系統進行實時監測，從而提高了運輸的效率和安全性。由于信息技術、平面光波導（planar lightwave circuit,PLC）技術的廣泛運用，以及與煤礦安全生產的緊密聯系，極大發展了監控技術。采用全數字直流調速技術，可進一步提升膠帶設備的效量。計算機和工業電視聚焦式中央監視系統的發明，也為國內的工業發展做出了一定的貢獻。可控硅元件是斬波技術的具體應用，其工作效率非常高，為保障交通工具的穩定性和安全性提供了良好的技術支撐。可控硅元件的發明和應用也推動了一種新的集成計算機和可編程邏輯控制技術——交頻式同步牽引技術的出現和發展，推動了采礦工藝的形成。目前，煤礦企業大多采用PLC 技術作為提升機的核心，制定了相應的安全防護標準。為了保證系統的安全和穩定，大多數礦井都在使用雙回路技術[4]。

4 結語

綜上所述，提高煤礦生產中電氣和機械設備的自動化水平，對提高煤礦生產的安全性和礦井生產效率至關重要。隨著現代新型技術不斷多樣化、豐富化，現代煤礦開采設備逐步向智能化、自動化方向發展，減輕了工人的工作壓力，減少了對資源的消耗，有利于保障工人的安全，也提高了煤礦綜合開采效益。