煤矿电气自动化控制系统创新设计研究

高亚超

摘  要：我国正在推进能源转型，促进能源使用的生态化和可持续化。就目前而言，煤炭仍是我国的主要能源来源，并将在相当长的时期内保持这一地位。为了适应能源生态化与可持续化的要求，煤炭相关企业和研究机构应该提升煤矿开采的自动化水平，实现对煤矿的高效综合利用和保护性开采。该文基于煤矿自动化趋势的现实背景，对煤矿电气自动化控制系统进行设计，期望能帮助促进我国煤炭行业的电气自动化水平提升。

关键词：煤矿设计  电气自动化  控制系统  设计研究

中图分类号：TP18                           文献标识码：A文章编号：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

煤礦电气自动化控制系统对煤矿的开采经营至关重要，是提升煤矿开采效率，保证煤矿员工安全，实现生态开采的重要基础。笔者的相关设计包括监控系统、预警系统和自动化作业系统3个部分内容。该集成系统可以全过程监控煤矿企业的生产，保证自动化控制效果，希望能对业界同仁和科研人员有所启迪。

1  自动化监控系统

1.1 自动化基础监控

自动化监控系统的核心是矿山调度中心，该调度中心应该能够全方面监视和控制煤矿生产、运输的过程[1-2]。调度中心位于地上部分，能够通过企业内部安全网络控制地上和地下所有工作人员和运营设备，保证对人员的安全调度和对机器设备的科学使用，保证煤矿的无休息运行。工程师在该部分的设计中，期望调动中心达到优化煤矿生产过程，提高煤矿生产效率的预期效果[3-4]。相关设计人员在对自动化基础监控系统进行设计之初，就已经清楚地认识到设备的单纯扩大化，生产出仅仅是动力更加强劲、体积更加庞大的采矿机械并不利于采矿企业效益的提升，不利于资源可持续开发目标的实现。

1.2 自动化运输监控

自动化运输监控系统主要监控煤流在矿企内部的输送全过程。该系统不但监控工作面巷道煤流运输、带式机煤流输送、煤仓输送等过程，而且协调不同煤流输送设备的工作进度，可以保障全部输送过程的稳定、可靠，保障运输系统的持续高效运行。自动化的煤流运输系统可以对煤矿的运输过程进行全新的科学化安排，提高煤流运输的合理性，能够减少在煤流运输过程中的变动问题的出现，可以精简对于不必要员工的设置，节约成本，提高运输效率。基于煤流运输环节的自动化，相关的主要机械设备和辅助设备可以长时间处于被运行状态，不会像人工一样因为情绪、态度等出现工作失误或者工作效率变慢的情况。因为机械是不会被人类的情感因素所影响的，自动化煤流运输系统能够提高企业的煤流运输的可靠性，保证生产和运输环节的稳定持续。在自动化运输中，全部的运输过程都处于系统控制之下，系统的高精度决定了运输系统的高质量，其能够在相当敏感的数量级情况下进行煤矿的运输，能够提高煤矿系统的整体质量。该系统可以将煤流运输信息实时输送到基础监控系统，并将分析后的信息传输到相关工作人员的接收设备，实现不同工作人员基于系统调度的互相配合，保证工作的效率与科学。

1.3 自动化物流监控

自动化物流监控系统监控不同矿井空间与矿井和地上空间的物流运输过程。该系统可以实现对物流过程信息、物流设备信息、物流人员信息等的数据化监控。当数据出现异常时，物流监控系统会将异常信息做成异常分析报告传输到基础监控系统，组织调度相关人员和自动化设备调整物流运行过程，保证物流运输的及时、可靠。系统可以根据物品不同对运输对象进行科学分类，根据分类不同自动配置物流运输的数量与速度，配合企业的生产、运输计划。当发生部分生产资料不足的临时状况时，系统可以根据物流运输目标的调整自动调整物流运输计划，保证生产资料的优先运输，保证总体生产状况的稳定。物流运输的每一台设备都通过内部物联网系统联结到物流监控中心，因此可以保证物流计划实施的可控性。

1.4 自动化综掘监控

自动化综掘系统监控综掘作业的运行。综掘作业目前主要以人工为主。该系统不但可以为员工提供数据分析和策略的帮助，还可以连接自动化综掘设备。当企业进行设备更替，用机器人等代替人工之时，就可以直接利用综掘监控系统控制机器人的综掘作业，实现工作方式变更的无缝衔接。通过自动化的综掘监控系统与自动化设备的连接，综掘作业可以释放出更多的设备资源，能够减少对综掘机械的不当使用和过度使用，提高综掘设备和其他相关辅助设备的使用寿命。同时，自动化的综掘及其监控工作，还能够降低机械的维修成本和维修压力，让自动化综掘系统始终处于最佳使用状态之下。即便是人工的综掘作业，该系统也可以对员工的掘进、搭棚、打锚杆、填充等行为进行安全性分析和评价，为员工提供改进策略，大幅度降低工作的危险性，提升员工工作的效率。在综掘作业发生危险之前，该系统可以根据监测到的安全数据提醒工作人员及时远离危险场地，保证员工的生命安全。

1.5 自动化综采监控

自动化综采监控系统可以监控和调度综采工作面，根据工作面的数量不同，可以协同不同工作面的工作。该系统能够同时监控和协调不同工作面的工作，监控从工作面到输送带的全过程，保证综采监控系统与运输监控系统的有效衔接。该系统能够运用数据中心对综采工作进行自动分析，出现数据显示异常时自动报警，启动预备措施，保证综采工作的安全。该系统同时提供可视化的数据平台，实现工作人员与自动化平台间的协调统一。工作人员可以在自动运行与人工运行的模式之间自行选择。在日常的综采工作中，该系统可以代替人工对设备进行维护，根据设备的使用情况合理调整设备功率和使用频率，延长设备的使用寿命，降低企业经营成本。当井下发生安全危险时，该系统能够根据监测装置全面检测危险发生地数据，利用大数据和云计算技术系统分析危险发生的成因，提出自动化解决方案。当需要员工进行人工操作时，系统可以分析提供最佳操作方案，并实时监控作业的环境，保证维修高效与安全。工作人员还可以利用系统建立沟通交流平台，保证人员间的工作协调。

2  自动化预警系统

除了监控系统之外，该集成系统还拥有自动化预警中心，将监控系统中的危险信息进行集中分析与处理，判断危险等级，及时发出预警信号。该预警系统相当于全面医生，能对矿企的整体运行状况按时进行分析，从对数据的搜集、整理、分析判断煤矿生产的整体安全水平，提前发现煤矿的安全风险，在全局层面提供风险化解方案。当监控系统没有发现危险时，会对矿山的整体运行进行日常的维护与分析，定制危险等级分析和危险可能来源的报告。该系统的定制报告可以根据相关工作人员的请求进行有针对的地变化。当相关工作人员有特定方面的安全因素分析需求时，工作人员可以利用自动化预警系统定制具体的数据收集和分析报告。该报告可以是基于所特定的数据观察点的数据而被搜集整理而成，也可以是基于其他维修人员的工作报告整理而成，还可以是基于设备的日常运行数据而被制作而成。相關人员利用安全情况分析报告可以准确掌握每天的煤矿运行状况，保证自身的工作安全，尽量减低安全风险发生的概率。相关工作人员也应该定时更新自动化预警系统的安全分析能力，保证安全分析的正常进行。当监控系统发现危险时，预警系统会判断分析危险源对其他煤矿部分的安全影响等级，同时将每一次危险事故进行记录，为企业负责人的安全和生产决策提供经验和数据支持。预警系统还会根据工作职务的不同发布不同的针对性命令，保证在发生警报情况下的各部门之间的密切配合，保证安全保障工作的正确运行。

3  自动化作业系统

3.1 自动化井下作业

自动化井下作业系统能够协调井下与地面设备的整体运行，保证井下采矿工作的全自动化[5-6]。该部分的核心是高级别的数据处理和控制软件，需要企业有信息技术方面的支持。该系统可以保证井下支持系统与工作系统的协调一致，保证采掘工作的科学、高效。该系统应该可以实现井下相关设备数据的及时上传，在上传之前，该系统应该可以对井下作业的相关设备运行数据进行预先处理，减少需要上传的数据量，提升数据上传效率，提高整个系统的运行效率。而地面的信息传输与处理中心能够及时自动处理上传的信息数据，根据井下作业环境的实际变化更改设备数据，保证井下设备的合理运行。该系统实现了根据作业环境变化进行设备数据随时变化的能力。该系统不止应该能控制井下作业和井上设备的运行，还应该能够控制相关的水、电、风等要素的供给，实现对采矿环境的一体化控制的功能。该系统可以通过物联网系统和芯片控制系统控制全部井上、井下设备，集中运行，实现各个环节的自动化衔接。

3.2 自动化综采工作面

自动化综采工作面系统能够自动控制工作面的运行，自动变更工作面状况，适应综采环境。该系统同样需要计算机软件的支持。大数据、芯片、云计算等产业的发展可以给该系统的开发带来技术支撑。利用该系统，煤矿企业可以在视觉上直接控制各种现代化采煤机械的运行，保证采煤机械的运行与电脑显示相一致。利用该系统，煤矿企业可以检测所有设备的历史运行数据和当时运行数据，保证数据的合理性和科学性，根据数据变化及时变更数据运行状态。利用该系统，煤矿企业可以在虚拟空间内对综采工作面进行监督和控制，可以处理综采工作面的问题。利用该系统，煤矿企业可以自由调整工作面的具体工作细节，保证综采工作面与煤矿开采计划的一致性，保证企业经营秩序的正常。利用该系统，煤矿企业可以根据综采工作面的具体情况进行对相关机械的再次赋值，保证设备运行的适当性。煤矿企业可以积极收购或者研发煤矿软件，保证综采系统的完善。

4  结语

煤矿电气自动化控制系统能够实现煤矿产业的高效率运行，生态化运行。在世界能源格局多变，能源供应不稳定的背景下，矿企应该积极利用自动化技术提高对煤矿的开采水平，保证我国的能源安全和生态安全。

参考文献

[1] 王凤斌.煤矿轨道运输矿车调度优化策略研究[D].青岛科技大学，2020.

[2] 谢嘉成，王学文，郝尚清，等.工业互联网驱动的透明综采工作面运行系统及关键技术[J].计算机集成制造系统，2019，25（12）：3160-3169.

[3] 陈洋.煤矿员工不安全羊群行为驱动机理及管控研究[D].中国矿业大学，2020.

[4] 韩帅.煤矿安全心理生态的交互结构及共生演化研究[D].中国矿业大学，2019.

[5] 葛世荣，郝尚清，张世洪，等.我国智能化采煤技术现状及待突破关键技术[J].煤炭科学技术，2020，48（7）：28-46.

[6] 王国法，刘峰，孟祥军，等.煤矿智能化（初级阶段）研究与实践[J].煤炭科学技术，2019，47（8）：1-36.