露天煤矿开采工作中电气自动化控制技术

2022-12-03丁建龙

低碳世界 2022年8期

丁建龙

（中煤平朔集团东露天矿，山西朔州 036000）

0 引言

在露天煤矿开采工作中采用电气自动控制技术，可以简化烦琐的工作，节省人力，提高工作效率，从而达到安全高效的生产目的。电气自动化控制技术在煤矿生产中得到了广泛的应用，其应用对降低生产成本、增强企业核心竞争力、增强企业整体安全保障能力具有重要的现实意义。

1 煤矿开采中电气自动化技术发展状况

1.1 目前软硬件平台发展状况

对于电气自动化系统来说，硬件设备是其工作的物质基础。过去由于制造厂商和设备型号的差异，现阶段某些部件造成损伤后，需要进行全系统的替换。在技术发展的同时，在硬件设施上也有了一定的进展。首先，从程序接口的角度来看，其标准化生产基本上已在大型矿井中实现。其次，工业控制标准达到了一个统一的标准。最后，在硬件设备中应用了分布式通信总线。通过分散式的控制方式，每个模块都可以和现场的设备相连，每个设备都是监控现场的机器，也是命令的执行者。

1.2 当前计算机应用软件领域的发展状况

在电气系统中，控制软件是最重要的环节，引入采用监控软件系统的电能自动监控管理系统，能使传统煤矿无人守护的自动化生产方式变成现实。就目前的情况来看。在现代电气自动化系统中，控制软件的运用主要分为集中控制、远距离监视和现场总线控制。且电气自动化技术是将软硬件相结合、智能化与科技运用为一体的系统高新技术，可实现生产安全化、自动化和现代化。

2 露天煤矿电气自动化特征

2.1 露天煤矿机械电气自动化特征

在实际生产的过程中通过将煤矿开采分成一矿一面或者一矿二面的分区方式来进行电气自动化的开采，以此提高电气自动化采矿设备的使用效率。同时，大型采矿设备通过电气自动化的方式能够有效提升煤矿开采的效率和质量[1]。设备通过电气自动化的方式能够具备更强的环境适应性和承载力，使采矿设备能够将采矿、承载、搬运以及破碎等多种工序通过电气自动化进行有效的连接，有效提升设备的生产效率，最大效率可达到480～2000 T。另外，由于其智能化程度非常高，对推进机电一体化的实现发挥着积极的作用，加之各种装置的安全可靠程度及其卓越的机械特性，其在采掘过程中具有重要价值[2]。

2.2 露天煤矿监控设备电气自动化特征

在露天煤矿的开采过程中，由于煤矿开采的环境较为复杂，并且存在一定的极端工作环境，因此通过在露天煤矿的监控设备中采用电气自动化的方式能够有效提升煤矿现场监控管理工作的效率。通过电气自动化监控设备，能够精准捕捉现场的各种情况，及时对现场存在的安全隐患进行排查，防止安全事故的发生。

3 露天煤矿电气自动化技术的应用

3.1 卡车调度自动化系统在露天煤矿中的应用

露天煤矿卡车自动化调动系统是由计算机、通信、电子、自动控制、卫星定位、优化理论等技术组成的。在露天煤矿中，货车调度系统的应用主要集中在货车的调度上，传统的人工调度和固定配车模式具有局限性，不能实时监测设备的位置和状态，难以及时解决运输中出现的问题。如何优化采运设备与运输设备之间的关系，是目前露天煤矿生产企业所关心的问题，而货车调度自动化系统的出现，为目前的问题提供了一种解决方案，既可以优化运输路径，又可以降低总运力，减少采装和运输设备的等候时间，并及时处理各种因素造成的无法操作等故障，减少生产、运输过程中不必要的空跑和损耗，有效提升了采装和运输的效率。

运输卡车调度管理系统的主要功能是获取整矿装置的情况、状况、物料等数据，以便准确跟踪与显示货车、电铲等装置的信息。首先，利用运输汽车终端上的GPS 卫星定位设备，收集汽车的地理坐标、时刻等信号信息，再利用中间处理器加以处理，借助无线通信将这些信息传输到无线通信网络中，进而在电子地图上显示出各汽车的位置。其次，监测中心将与车辆当前情况相关的地理信息传送至车载终端，并将其结果展现在车载终端上。驾驶员能够通过驾驶舱的显示器查看自己的车辆以及其他汽车的情况，如满负荷和无负荷，还能显示采矿设备的工作或闲置状态。最后，利用计算机测量出其周围车辆的高度，并将数据呈现在屏幕上，通过声音警告可能存在的威胁[3]。

根据目前的生产管理模式和实际管理经验，制定符合生产中实际需要的货车调度管理系统自动测量处理逻辑，在经过设计调整之后，在理论上能够达到零失误的自动测量准确度。但由于目前的货物调度系统对生产管理人员、调度员、司机等来说还是新事物，要熟练掌握实际应用必须经过逐渐过渡的过程，所以目前实际生产数据还有1%的最大误差。在此基础上，提炼出产量完成度、目前交通饱和度、提前装车法、电厂不平衡调节法等优化调度算法，实现了产量、设备利用率最大化，对各矿区的交通信息、各工程区位信息、各设施信息等实施了优化调整，使各大货车的效果调度方案得到最优分配，以达到最大的生产力。根据现场生产进度和生产实际，结合交通规划随时为工作用车的调度运用提供建议。

该系统可以实现超时报警、离开规定范围报警、无排放地点自卸车报警、汽车无故停放超时报警等各类报警功能，并通过车载终端将报警信息反馈给调度中心。系统还会记录下报警地点、频次和持续时间等，对安全行车具有促进的作用。

3.2 安全监控设备在露天煤矿开采电气自动化技术中的应用

安全是矿井生产的第一要务，一旦出现事故，造成的后果将是难以想象的，而安全事故的严重后果也使人们深刻地认识到，提高矿井安全监测系统的自动化水平，可以有效预防各类安全事故，避免有关人员的生命和财产受到威胁。只有实时监测与预测矿井的各类数据，才能使矿井的安全监测系统实现自动化运行，预防矿井安全事故的发生。露天煤矿爆破区域需要管辖的区域极大，而项目建设资金、人员管理能力有限，因此需要结合图像智能分析等技术，利用前端视频监控，对监控区域内出现的人员、车辆进行行为分析和预警，从而提升项目投资效益和边境区域管控的智能化水平。

露天煤矿爆破区域安全监控的总体目标是全程掌握爆破区域关键环节和现场工况，前端设备监控范围覆盖爆破警戒区域。通过后台人形侦测和移动检测算法判定是否有人或者移动设备进入视频画面警戒区域，当有人/车/移动设备进入警戒区域时，能够在监控中心及时弹出报警弹窗，提示安全督察人员进行处理，实现爆破警戒区域的远程监控和预警功能。安全监控设备的系统架构如图1所示。

图1 安全监控设备的系统架构

（1）工作原理。相机设备具备超远距离、高稳定性、超高清等特点，可结合智能算法进行报警联动，精准定位报警位置联动高空瞭望变焦获取细节监控画面，以达到稳定不虚焦的效果，实现全方位、多视角、无盲区、全天候式的监控。并且只要物体温度高于绝对零度（-273 ℃）就能辐射电磁波，因此，可以利用热成像主要采集热红外波段（8～14 μm）的光，来探测物体发出的热辐射，热成像把热辐射转化为灰度值，再利用各物体的灰度值差异来成像，从而发现和识别目标。热成像摄像机具有热点检测功能，当其监控范围内出现发热点时，通过植入前端周界算法，定义触发报警规则，当热点目标触发报警规则时，热成像摄像机能够及时捕获该热点，并主动发出报警信息，达到提前报警防范的效果。此外，热成像摄像机适用于夜晚对人、车的监控，能够检测到的最小目标需要在图像上占用至少3 个以上像素点。

（2）需要对监控设备硬件结构进行设计，主要包括以下3 个方面：①防风沙恶劣环境设计。设备所处的爆破环境，有时会产生粉尘或风沙天气，而在风沙环境中，很容易导致设备出现故障。例如，粉尘或沙粒进入摄像机内部，使移动部件被卡住，导致电气接触不良，线路恶化；加剧表面磨损，各种盐分、有机物、有害气体也会加速对光学玻璃和金属的腐蚀；增加静电并引起电气噪声；吸收湿气，使材料的绝缘性能下降；由于导热系数的降低，会对光学器件的光学性能产生影响，从而导致“积尘效应”“打磨效应”。因此，设备必须具有高级别的抗粉尘和风沙性能，才能在爆破产生的沙暴环境中保持平稳运转。②防高温高辐射设计。散热设计可以对元件发热量进行仿真评估，并使用大面积导热垫配合全金属底板和外壳充分散热。高发热量区域定制铜、铝合金散热片，采用大功率散热风扇与散热风道的设计。防辐射设计的白色外壳涂料具有高耐热性和高稳定性，可以反射太阳辐射。遮阳罩隔热设计可以减少遮阳罩与壳体间的接触面积，有效缓解太阳辐射下壳体升温。内部采用耐高温零部件，在高温环境中可以维持长时间稳定性。③低温防护设计。云台设备所处的环境，冬季气温很低，设备安装位置偏远或处于铁塔上，如果遇到雨雪天气，设备在断电的状态下，很可能导致设备结冰，进而导致云台转动部分被冻住，热成像和可见光镜头部分被冰雪覆盖，丧失图像性能，造成设备无法启用的问题。因此，需要测定机体内外温度，根据内外温度值制定相应防护策略，传动部件采用耐低温材料，使其在低温环境中性能稳定。

（3）应用场景。利用热成像技术深度学习的Smart原理，热成像相机可以实时监控矿区的人员和车辆，同时还可以通过红外光路，实现对目标的智能追踪，使报警实现可视化。具体应用如下：①在系统上设置警戒线，当人或物体通过警戒线时警告规则将被触发，热成像摄像机会立刻发出警报并立即告知。②在系统上设置对应的警戒区域，当有物体越过警戒区域的边缘进入警戒区时，警戒规则就会被触发，热象摄影机会立刻发出警报。

3.3 电气自动化技术在露天煤矿运输中的应用

我国拥有丰富的资源，矿产资源是国家的重要能源，但矿产资源是不可再生的，开采和勘探难度很高，开采工艺非常复杂。因此电力自动化技术在矿井生产中起着举足轻重的作用，提高了矿井的生产效率。此外，电力自动化技术在运输中也是不可或缺的。

从20世纪80年代初期开始，由于采用了自动化设备，采矿公司的产量有了很大的提升。大中型矿山普遍采用的输送设备为输送设备，可以将大量物料迅速从矿井下输送到地表，并由交通监测系统进行实时监测，从而提高了运输的效率和安全性。由于信息技术、平面光波导（planar lightwave circuit,PLC）技术的广泛运用，以及与煤矿安全生产的紧密联系，极大发展了监控技术。采用全数字直流调速技术，可进一步提升胶带设备的效量。计算机和工业电视聚焦式中央监视系统的发明，也为国内的工业发展做出了一定的贡献。可控硅元件是斩波技术的具体应用，其工作效率非常高，为保障交通工具的稳定性和安全性提供了良好的技术支撑。可控硅元件的发明和应用也推动了一种新的集成计算机和可编程逻辑控制技术——交频式同步牵引技术的出现和发展，推动了采矿工艺的形成。目前，煤矿企业大多采用PLC 技术作为提升机的核心，制定了相应的安全防护标准。为了保证系统的安全和稳定，大多数矿井都在使用双回路技术[4]。