煤矿电气自动化控制系统设计及优化

（晋能控股煤业集团马道头煤业有限责任公司 山西 037000）

煤矿在我国的经济结构中占据了很大的一个比重，而且在我国的能源结构中煤炭占据了很重要的地位，并且也是我国能源的保障。虽然现在我国在不断地促进能源多元化的发展，但是社会对于煤炭的需求依旧在不断地提高，这就使得社会对于煤炭企业的发展也比较的关注。传统的煤炭开采是利用人力进行的，这种效率非常慢，而且煤矿开采的安全性也不能得到保障。所以随着技术的发展和进步，自动化控制系统被研发了出来，并且应用在了煤矿的开采作业中，这不但使得煤炭开采的成本降低，而且也使得开采的安全性得到了很好的增强。同时，随着社会的发展以及技术的进步，煤矿开采过程中自动化的程度会越来越高，并且生产也会更为高效，安全性也会有很好的保障。

1.相关概述

（1）控制系统概述。煤炭是传统的化石能源中人类利用最早的一种能源，并且在我国的能源组成中占据了非常大的比重，虽然现在国家已经开始限制煤炭的使用范围，但是我国的煤炭需求量依旧在增加。所以提高煤矿的开采效率是非常重要的，这就需要应用电气自动化技术，其不但可以提高资源的利用效率，而且还可以为国家的经济发展贡献一份力量。整个电气自动化控制系统的组成主要是单片机，其中包括电源、防水和断电设备以及通风机等。而单片机对于环境的适应性是比较弱的，所以在进行选择和操作的过程中要非常地仔细和谨慎，因为一旦出现了漏水事故，那么单片机的工作就会受到很大的影响。单片机的控制原理就是进行电流电压信号的转化，进而实现相关数据的采集和传输工作，保护工作是非常重要的，其主要集中在断电和通风两个方面。

（2）控制系统现状。煤矿开采自动化是世界上煤矿发展的主要趋势，当然目前还无法实现全部自动化，但是局部的自动化却已经可以实现了。目前的自动化系统已经开始实现煤矿开采工作的监控以及故障诊断工作，甚至一些设备还可以实现自动维护工作，使得整个开采工作的效率得到了很大的提升。我国新建设的煤矿都是自动化程度非常高的，一些老旧矿井也在不断地进行着改造，并且我国还发布了《煤矿自动化规划》的文件，其中对于煤矿的自动化程度进行了要求，这使得节能降耗的原则被很好地落实到了煤矿的开采当中。至于自动化控制技术的应用在很多行业都已经完成了普及工作，并且在很多行业的应用也趋于成熟，所以将这些成熟的产品应用于煤矿的开采中，然后针对性地进行改造，会有效地促进煤矿开采的自动化程度和效率。

2.优化设计分析

（1）煤矿控制网络。①本地网络结构。自动化控制系统主要是在本地网络中使用，即在每一个地区都会形成一个环域网，其主要的目的就是控制相关的设备进行数据的采集，然后应用其他的控制器进行相关数据的输出工作，这样整个系统中数据的采集和输出属于不同的设备，因此安全性得到了很好的保障[1]。②系统工作内容。煤矿的整个自动化控制部分可以分为两个部分，内部主要是对数据进行采集和上传工作，而外部则是相关的管理中心和监控中心，其主要的作用就是下达相关指令保障系统的正常运行。在这个系统中比控制系统的应用是非常关键的，其可以对工作强度以及性质进行严格的把控。

（2）PLC系统的组成。①煤矿长度影响。煤矿的长度对于PLC系统的影响是非常大的，根据煤矿不同的长度要选择不同的PLC相关元件，这样才可以保障PLC芯片的功能得到很好地发挥。根据目前的技术，煤矿的长度越长，那么在进行相关数据的采集以及生产监控的难度就越大，所以对于PLC元件的精度要求就越高。②应用内容与要求。照明系统和通风系统是煤矿中两个非常重要的系统，所以对于这两个系统的监控工作要做好，如果这两个系统出现问题那么会直接影响煤矿开采的工作效率，甚至会引起一些安全事故的发生。

3.系统优化策略

(1)设备选型优化

①明确煤矿规模。煤矿开采的规模是在进行系统设计过程中必须进行的一项准备工作，因为只有掌握了煤矿开采规模才可以有效地进行自动化控制系统规模的设计，并且确定相关PLC设备的选型工作。就以德国西门子的相关产品为例，针对煤矿开采过程中出现的瓦斯浓度进行检测就可以选用SIEMENS S7-200，这种设备的灵敏度非常高，而且检测范围也比较广泛，可以做好良好的预警作用。如果要针对矿井进行监控，那么这个系统就比较复杂，所以在选用PLC设备的过程中要选取大型设备，因为只有这种设备才可以对海量数据进行传输和处理，并且为控制室的相关人员提供重要的依据。

②确定I/O点类型。不同煤矿的电气自动化控制的需求是不同的，因为煤矿的位置不同以及深度不同其自动化控制系统的功能模块也会不同。比如说对于浅层或者是露天开采的煤矿，那么自动化控制系统对于瓦斯监测以及结构强度等内容不需要十分的严格，并且所使用的I/O点数量以及类型并不会很多。但是对于在深井下的煤矿来讲，这两个方面却是最为重要的内容。同时，在进行设计优化的过程中要对I/O点进行统计，并且还需要留有一定的余量，不过余量也不能太多，不然会造成资源的浪费。此外，对于设备的频率也需要进行统计，这样在选择相关继电器等物品时可以直接一步到位，不需要进行多次的更换[2]。

③选择合适工具。目前电气自动化控制系统所使用的编程工具有三种方式，第一种方式为手持编程器，这种编程方式只可以使用一些产品商家规定的语句表进行编程，其效果是比较低的，并且也只适合在一些小型的PLC上使用。第二种方式为图形编程器，一般煤矿自动化控制系统的应用使用的是梯形图编程，具有很好的直观性，并且应用范围相比于手持编程器要广很多。最后一种为计算机加PLC模式，这种模式的应用效率是最高的，但是其开发的价格是比较高的，并且调试过程也比较长，一般的应用都在大型或者是超大型的煤矿中。本质上编程工具的应用对于煤矿的电气自动化控制具有非常重要的意义，但是在具体的应用中应该根据煤矿的实际情况进行选择。

(2)系统架构优化

①硬件优化设计。在系统的设计优化工作中，首先要进行输入电力的优化工作，从电压方面来看，一般的PLC设备的电源需求是八十五伏到两百四十伏之间，因此传统的输入电路足够使用。但是如果从环境来看的话，尤其是在矿井下，整个环境是非常恶劣的，因此供电是存在很大的不稳定性。所以为了保障供电稳定性，要对输入电路加装一些净化元件，比如说电源滤波器或者是隔离变压器等。同时还可以使用双鳄梨技术，这可以减少脉冲的干扰。此外，还需要在输入电路上加装一些保险丝，这可以防止短路的出现。其次，还需要对系统的输出电路进行优化，这个工作需要根据煤矿的实际需求进行，对于各种指示标志或者是调速装置等，一定要采用晶体管，这可以使得其动作的高频性得到应用，并且也可以提高响应的速度。所以做好系统的抗干扰工作是非常重要的，整个工作可以从三个方面进行，第一个方面是使用隔离变压器，并且将中性点接地，这种方法的隔离效果是非常好的，应用效果也比较好；第二个方面是使用金属外壳进行电磁屏蔽工作，这种方法的成本是比较高的，而且安全性比较差；第三个方面就是进行布线工作的优化，这种方法需要进行严格的设计，并且抗干扰能力虽然较强，但是却无法做到完全隔离。

②软件优化设计。软件的优化设计可以从两个方面进行，第一个方面是从软件结构的优化设计方面进行，在这个方面中可以分为两个不同的结构形式，首先是基本程度模式，这种模式的应用是基础的，并且基本上所有的煤矿在进行电气自动化控制系统设计中都会应用。其次是模块化设计模式，这种模式的应用可以有效拓展未来系统的升级潜力，尤其是对于一些大中型煤矿而言，其自动化控制系统的功能会随着开采进度进行不断的更新换代，所以在这个背景下使用模块化设计，这可以有效地提高系统设计的效率，提高煤矿开采的效率。而且模块化的设计使得相关的调整工作更为有效，速度也更快。第二个方面为程序设计优化，简单来讲就是对I/O点的分配进行优化，这个就需要对整个自动化控制需求进行调查，并且做好相关的编号工作，这样进行I/O点的分配时会更为有效和精准。

4.结束语

总而言之，在目前技术和社会快速发展的背景下，煤矿电气自动化控制系统的应用会越来越广泛，并且应用也会得到普及，而且控制系统的先进性也会不断地提高，这会直接促进煤矿开采的作业效率，还会强化煤矿生产的安全性。当然，在具体的应用中自动化控制系统需要根据实际进行一些变革，这样才可以使得控制系统的适配性增强，提高煤矿的开采效率。同时，在进行优化设计的过程中，需要创新系统的设计方案，因为传统的方案根本就不是因新技术的融合和新场景的应用，所以根据实际情况进行方案设计和创新，这可以提高自动化控制系统的应用效能。此外，整个煤矿电气自动化控制系统是一个有序的系统性工程，所以在进行设计优化的过程中要进行不断的试错，通过不断的试错才可以完善系统。