煤矿电气自动化控制系统关键技术创新设计与应用

牛万春

（西山晋兴公司斜沟煤矿， 山西 兴县 033600）

引言

随着我国采煤技术的极速发展，电气系统智能化、自动化水平不断提高，矿山生产技术越来越趋向于高效率、高安全方向。基于PLC技术的电气自动化控制系统必须克服煤矿井下生产环境恶劣这一困难，保障在各种情况下工作面电气设备的稳定运行，避免电磁等环境因素对电气系统造成不同程度的干扰，提高矿山生产效率[1]。为提升煤矿电气自动化控制系统设计的安全性和可靠性，对设计进行创新与优化，减少设计成本，增强系统使用性能[2]。

1 单片机电气自动化控制系统在煤矿生产中的应用

电气自动化控制系统的核心是单片机，而单片机的规格选型有严格的要求，相同型号的单片机在不同的生产环境中会呈现不同的效果。在选择单片机类型时，应根据煤矿开采和生产环境，对其进行全面、深入的勘察与分析，确保单片机在煤矿生产设备中的正常工作[3-4]。现阶段，煤矿多采用PLC单片机，此种单片机具有工作效率高、耗能少、抗干扰强等优点，同时具有很强的防水效果。当生产设备出现漏电现象时，单片机自动采取应对措施，保证工作设备的稳定运行以及工作面的顺利生产，且为工作面工作人员提供安全保障。PLC单片机主要对煤矿生产系统设备进行实时保护，通过一系列的信号转换，将设备故障信号传输至计算机。由于其具有抗干扰能力较强、耗能较少等特点，在煤矿中得到了广泛的应用[5]。

2 煤矿电气自动化控制系统设计的创新与优化

2.1 设备选型

2.1.1 分析系统规模

通过分析PLC自身系统的规模，对工作面所选设备进行综合选择。PLC设备的不同作用对其自身要求也不同，若仅仅要求PLC设备实现对瓦斯浓度的检测，可以选择一般微型设备；若要求PLC设备对水泵机房根据水位变化进行工作方式和状态的变更，可以选择中等设备；若要求PLC设备对矿井生产人员进行实时监测，微型和中等设备均不能满足井下通信和控制的监测要求，只能选择大型的PLC设备。

2.1.2 I/O点类型的确定

为最大程度避免资源的浪费，确保硬件资源余量的不足，根据对某矿监控对象的系统规模确定I/O点的数量，进而对系统进行划分类别。分析矿井供电情况，对输出端采用晶体管和继电器，以确保输出端的稳定运行，提高输出效率。

2.1.3 选择编程工具

根据系统规模确定适合系统本身的编程工具，所选编程工具须确保系统编程能快速高效地完成。对于中小规模的PLC设备编程，选择梯形编程模式更为实用，应用范围也较广泛，而对于大型PLC设备编程，一般使用计算机和PLC软件包进行编程，这种编程虽然速度较快、编程效率较高，但是经济投入较多，现场调试时，由于环境因素也十分不便，故编程范围仅仅针对大型煤矿。

2.2 硬件设计

2.2.1 输入电路

由于煤矿生产环境复杂，且在某些特殊状况下供电系统呈现不稳定状态，对输入电路部分安装电源净化元件，以确保系统运行的安全和稳定，避免因煤矿生产系统的不稳定造成较大的经济损失。将PLC输入电源控制在24 V，合理调节电路载荷，防止由于短路影响PLC的稳定运行。在电路短路或超负载情况下，PLC芯片会受到不同程度的损伤，造成系统无法正常运行。因此，对输出电路进行设计创新对于电气系统的稳定运行具有重要的作用。

2.2.2 输出电路

为提高水泵机房电气自动化系统的抗干扰与负载能力，结合某矿实际生产需求，对输出电路设计创新。现阶段煤矿电气自动化控制系统PLC输出频率为6次/min，考虑采用继电器输出。另外，在电路盘上安装二极管，可以有效避免对PLC的损伤。

2.2.3 抗干扰设计

在煤矿生产过程中，工作面中的众多不利因素都会影响电气自动化控制系统的正常运行。对系统进行抗干扰设计创新是解决这一问题的根本方法。采用三种方法对其提高抗干扰能力，一是利用电磁屏蔽效应，将工作面中的静电、电磁等干扰信号通过金属壳屏蔽，减少对电气设备的干扰。二是应用专业屏蔽设备，现阶段煤矿主要采用隔离变压器，通过中性点经电容接地提高电气系统设计创新的抗干扰能力。三是合理布线，将强电动力线路与弱电信号线分开走线，避免因双线交叉对设备产生不同程度的干扰。

2.3 软件设计

2.3.1 软件结构

在煤矿电气自动化控制系统中，基本程序设计与模块化设计是软件设计的主要组成部分。根据煤矿工作面的实际生产状况，将电气自动化控制系统分为多个子任务模块，分别对其进行编写和调试，最后整合起来。并对程序结构进行适时调整，以便软件结构程序能够适应不同的实际生产状况。

2.3.2 程序设计过程

根据某矿自动化控制系统的实际需求，对I/O信号进行集中编制，将不同编号的程序定时器、计数器等设备统一管理，详细列出I/O分配情况和内部继电器标志位配表，能够提升系统的维护效率，促进电气运行的可靠性。

3 PLC控制系统程序的应用

将PLC控制系统程序应用于某矿，进行I/O端子测试和系统调试。通过试验，观测PLC控制系统程序的应用效果。针对不同的PLC系统应用效果制定不同修改策略，确保PLC控制系统程序的应用效率。

3.1 I/O端子测试

手动对PLC输入端子进行检查、验证，若PLC输入端子的指示灯点亮，表示正常；反之，应检查接线或者是I/O点坏。

3.2 系统调试

调试过程中，根据某煤矿设计生产需求对硬件进行适当修改，调试程序为检查硬件、修改程序、对现场信号和控制量做综合测试、带设备调试，最后调试结束。通过该程序的试验，该矿电气系统能够稳定运行，减少了经济成本投入，且保障了工作面生产人员的安全，提高了煤矿开采效率，经济、社会效益显著。

4 结论

1）现阶段煤矿电气系统在设备控制和监测方面存在诸多问题，极大地影响了工作面的正常推进，且对井下工作人员安全构成了威胁。

2）对煤矿电气自动化控制系统进行创新设计和改进，极大提升了煤矿生产效率，保证了煤矿电气系统运行的稳定性与可靠性。

3）基于PLC电气自动化控制，根据某煤矿生产的实际需求对设备选型、硬件与软件设计进行创新与优化，为该矿实现矿山的现代化、自动化和智能化发展提供了保障。

[1] 李建忠.单片机原理及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2002.

[2] 王玉英，王文魁.单片机在煤矿电气自动化程制技木中的应用研究[J].电脑知识与技术，2011（32）：8 055-8 057.

[3] 田庆军，周晓娟.当前煤矿电气设备安全管理存大的问题和对策[J].煤炭技术，2009（2）：190-191.

[4] 刘丽.煤矿电气自动化控制系统的优化设计[J].煤炭技术，2013（8）：93-95.

[5] 李养明.煤矿电气自动化控制系统应用优化分析[J].山东煤炭科技，2015（7）：106-108.