煤矿开采作业的电气自动化控制技术研究分析.pdf

电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering48煤炭是现代社会生产、生活所需的核心能源之一，一般需要通过煤矿组织开发、规划，提升开采作业质量和效率。我国是产煤、用煤大国，根据中华人民共和国 2022 年国民经济和社会发展统计公报数据，2022年我国产煤、用煤量分别为45亿吨、54亿吨，总量庞大，客观要求加强煤款开采管理，以保证产量、满足社会需要1。同时，煤炭生产事故的控制也得到关注，虽然近年来煤矿事故有所减少，但仍面临工作人员伤亡、财产损失等问题困扰，需要进一步寻求控制。在此背景下，电气自动化控制技术的价值显得突出，分析煤矿开采作业中电气自动化控制技术应用优势、方法、趋势，具有一定的现实意义。1 电气自动化控制技术概述电气自动化控制技术是自动化技术的一种，该类技术一般以信息技术为基础，通过驱动技术、总线控制技术及电气技术等，对电工电子、仪器仪表、可编程控制、组态控制设备和工作进行管控，使系统具有自我管理能力，可以根据默认程序完成主动感知、自动交互，提升设备或系统的运作能力。从特点上看，电气自动化控制技术以信息技术、智能技术为中心，其功能拓展则可以借助互联网技术、分布式控制技术实现，发挥执行单元、控制中心的管理价值2。随着电气自动化控制技术发展，该技术已经可以应用于设备及系统安装、调试、维护、设计及运行管理等多个方面。包括煤矿开采作业在内，各类系统、各类平台均在尝试引入电气自动化控制技术，提升作业效率和质量3。我国在工业生产领域广泛应用电气自动化技术，且存在进一步扩大应用范围的需求。2 煤矿开采作业中电气自动化控制技术应用优势2.1 提升效率煤矿开采作业中，电气自动化控制技术应用的直接优势在于提升效率。无论生产作业在地下或地上部分开展，均依赖设备组织作业，综采设备在此过程中发挥重要作用。常规机械设备不能完成割煤、运输处理一体化，以电气自动化控制技术为中心，发挥综采设备作用，能够实现割煤、破碎、运输处理的一体化，进而提升作业效率4。其他设备也能利用电气自动化控制技术提升工作效率，包括远程监控、一键管理等。2.2 保证作业安全电气自动化控制技术的特点在于，能够以机械设备、默认程序提供管理支持，在全生产过程中实现无人化或半无人化，进而减少安全问题，避免人员受伤的情况。如煤炭开采过程中可能产生较多的粉尘，粉尘浓度过高存在爆炸隐患，也影响人员身体健康。电气自动化控制技术可以感知粉尘浓度变化，及时进行抑尘作业，保证开采安全性5。此外，电气自动化控制技术也能通过一些临时性的应急措施避免安全问题扩大化，保证煤矿开采作业安全。2.3 适用性广泛从特点上看，电气自动化控制技术应用的基础是各类信息技术，这些技术的优势在于具有普遍适用性，集成后可以广泛用于各类煤矿生产、井上管理等具体环节。煤矿开采作业的电气自动化控制技术研究分析边瑞锋（忻州市应急救援队 山西省忻州市 034000）摘要：本文以电气自动化控制技术为例，首先分析其在煤矿开采作业中的应用优势，在此基础上研究该技术的应用系统结构、实现方法，并通过模拟实验的方式，对上述理论进行论证。借助实验证明煤矿开采作业中应用电气自动化控制技术对生产效率、作业安全性具有改善作用，以进一步推动电气自动化控制技术的应用和发展，服务各地的煤矿开采、工业生产活动。关键词：模拟实验；电气自动化；控制技术；系统结构电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering49同时，包括我国在内，各国井下煤矿、露天煤矿的生产作业模式相似或相同，一处煤矿应用的电气自动化控制技术以及其作业系统，往往能够普遍应用于其他同类煤矿。通用性较强的技术，意味着电气自动化控制技术能够在各地、各类煤矿普遍运用，提升煤矿开采等工作质量。3 煤矿开采作业中电气自动化控制技术应用方法3.1 应用系统结构煤矿开采作业中，电气自动化控制技术的应用主要强调稳定性、持续性以及必要的自适应能力。这要求电气自动化控制技术以简练、逻辑清晰的作业平台为基础，以智能技术作为核心组织信息的实时信息，根据实时信息确定管理方式。其基本工作框架如图 1 所示。该框架下，电气自动化控制技术应用系统分为四个部分，即管理处、执行端、智能中心以及辅助结构。管理处以人员负责日常工作，主要用于电气自动化控制技术程序编写、基础建设以及日常运维等工作，此外，系统的数据库也通过管理处管理，数据库则是系统作业的主要依据保证，包括智能技术所需数据在内。执行端以各类实时信息收集设备、应急处理设备为主，如粉尘传感器、温度传感器、气流传感器以及报警设备等，传感器、监控设备主要周氏煤矿开采作业的各类实时信息，报警设备则在工作信息出现异常时通过警报提醒人员进行处理。此外，抑尘设备、降温设备、调速设备也均属于执行端。智能中心主要组织实时信息的分析，根据分析结果作出判断，确定后续工作方式。如传感器传输的粉尘浓度信息，需要由智能中心进行判断，一旦煤矿开采过程中粉尘浓度过大，需要下达指令进行抑尘。辅助结构主要包括信息交互设备、总线设备、PLC 逻辑控制器等等，这些设备的价值在于提升电气自动化控制技术应用效果，保证系统的功能可以正常履行。3.2 实现方法3.2.1 主要技术结合图 1 所示的工作模式，可知电气自动化控制技术应用需要以各类技术提供支持，也需要构建适应其工作的信息化环境。从技术角度出发，尝试实现电气自动化控制技术应用，基础性技术包括计算机技术、通信技术、集成技术、分布式控制技术以及区块链技术（非必要），这些技术具有较强的通用性，组织一般建设和管理即可。除此之外，智能技术、现场信息针对性管理则需要根据煤矿开采特点具体进行设计。智能技术主要用于分析执行端设备提供的信息，并据此下达其他指令，以煤矿开采作业中的抑尘工作为例。其作业结构如下：结合图 2 所示模式，煤矿开采过程中，持续作业的开采设备导致空间内的粉尘浓度出现变化，接触式传感器对此信息进行实时收集，在通过通信结构传输至智能中心，智能中心分析传感器提供的信息，如果粉尘浓度图 1：电气自动化控制技术应用框架电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering50无异常，继续组织作业、收集粉尘浓度信息；反之，如果传感器提供的信息表明作业空间内的粉尘浓度已经较高，智能中心下达抑尘指令，由执行端设备完成抑尘，并继续进行信息收集、重复上述工作过程。需要注意的是，此过程中开采设备的作业与传感器作业胡不存在隶属关系，开采设备接收现场计算机和远程端的管理。3.2.2 智能技术的作用智能技术是电气自动化控制技术应用于煤矿开采作业的关键，也是自动化工作能够精准发挥作用的先决条件。依然以抑尘作业为例，一般而言，开采设备工作过程中，空气中粉尘浓度不是一成不变的，往往随着作业进展反复波动。默认粉尘平均浓度为 X，则煤矿开采生产空间内粉尘浓度一般围绕 X 上下变化：X-n；8S；DGH；X；NJ；WOA；Xn该数集中，X-n、Xn 分别代表煤矿开采生产空间内粉尘浓度的两个极限值，X-n 的极限值为 0，即煤矿开采生产空间内无粉尘，该情况只存在于理论模式中，一般不会存在，Xn 则表示煤矿开采生产空间粉尘浓度过高、达到抑尘需要的水平。可通过大数据技术以及煤矿工作积累的信息，确定其标准，以爆炸控制为目标，默认生成区域内的开采目标为烟煤，可知爆炸抑尘下限至少为 110g/m3，为进一步提升爆炸问题控制效果，可将爆炸抑尘下限设定为 80 或 90g/m3，也即 Xn 的标准值。实际工作中，传感器提供的信息通常处于 X-n、Xn 范围内，当煤矿开采生产空间内粉尘浓度达到Xn水平时，智能中心发觉该问题，并下达抑尘指令，提升煤矿开采作业安全性，使生产工作可持续进行。3.2.3 其他支持型技术除上述技术外，CAN总线技术、PLC逻辑控制技术、无线通信技术等也能提升电气自动化控制技术在煤矿开采作业中的应用质量，这些技术的主要发挥辅助作用。以 CAN 总线技术为例，该技术适用于大型煤矿，当煤款作业班组较多、管理内容较复杂时，不同的管理区域会生成不同作业信息，这些信息的传递可能受到周边因素影响，出现相互干扰、可读性下降等问题。以 CAN总线技术提供支持，可为不同的作业区域提供独立信道，使信息的传递独立在对应信道内进行，进而避免相互干扰、可读性下降的问题。CAN总线技术的作业模式如下：结合图 3 所示模式，可知煤矿不同区域的信息均通过独立信道进行传输，由 CAN 总线系统进行信道分配，并做信息的初步汇总（主要是信道集中管理，此阶段不做信息加工），所有信息传输信道在 CAN 总线系统完成集中管理，依然以独立信道进行信息传输，管理端接收相关信息后，再根据信息具体情况，组织反馈。反馈工作也是独立进行的，但并非必要（根据信息内容决定是否反馈，如调整作业参数、进行通风等等）。CAN 总线技术的可扩展性，也为系统工作能力的优化提供了保障，即便未来煤矿的工作区域进一步增加、管理对象进一步增多，仍可通过 CAN 总线技术提供独立的通信信道，提升煤矿开采作业中电气自图 2：煤矿开采作业中的抑尘工作图 3：CAN 总线技术的作业模式电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering51动化控制技术应用效果。3.3 模拟分析以某煤矿为例，分析煤矿开采作业中电气自动化控制技术应用效果，以该煤矿提供的信息为依据，借助计算机建立虚拟实验。实验采用对照模式，建立对照组、数据组、自动化组，其中对照组以煤矿提供的基础信息为依据，利用参数调整法分析常规作业模式下的生产效率、安全问题发生率，数据组也煤矿提供的基础信息为依据，不做参数调整，仅以数据提供对照，自动化组以煤矿提供的基础信息为依据，但引入自动化控制技术，统计生产效率、安全问题发生率。实验分组进行，第一组为对照组，采用加速模拟的方式，默认时间比为 1:100000，即模拟 1 分钟相当于系统工作 100000 分钟，期间引入 500 次异常参数，包括粉尘浓度异常、通风异常、设备过负荷运作、电力故障等，评估系统对安全隐患的察觉能力，以提前察觉、处理安全隐患为“风险察觉”。记录单位时间工作效率，工作效率以每天完成的标煤产量表达。实验进行 10 分钟。数据组仅统计煤矿提供的数据，以煤矿 70 天内的生产效率、随机 500 次异常问题的处理为对象，进行统计和记录，用以对比。自动化组采用加速模拟的方式，默认时间比为1:100000，即模拟 1 分钟相当于系统工作 100000 分钟，期间引入 500 次异常参数，包括粉尘浓度异常、通风异常、设备过负荷运作、电力故障等，评估系统对安全隐患的察觉能力，以提前察觉、处理安全隐患为“风险察觉”。记录单位时间工作效率，工作效率以每天完成的标煤产量表达。实验进行 10 分钟。实验数据如表 1 所示。结果上看，对照组每天完成 37.2 万 t 煤生产，察觉了 482 次安全风险，察觉率为 96.4%。煤矿数据则显示，其每天平均生产 35.5 万 t 煤，察觉了 479 次安全风险，察觉率 95.8%。借助自动化技术，每天可完成 41.8 万 t煤生产，察觉了499次安全风险，察觉率99.8%。这表明，煤矿开采作业中应用电气自动化控制技术，可提升生产效率和安全性。但实验室环境相对理想，实际工作中系统对安全风险的察觉效率可能略低，依然有待进一步优化。4 结论综上所述，煤矿开采作业中电气自动化控制技术的应用价值突出，应进一步加以推广。电气自动化控制技术可以提升煤矿开采作业效率、安全性，且适用性较广。其应用主要建立在信息实时收集和分析的基础上，以智能技术为中心，作出基于开采需要的自适应调整。模拟分析证明了电气自动化控制技术的优势和可行性，未来其应用可能进一步结合煤矿开采作业特点，区域便捷化、综合化和全面化，发挥现代化技术特色、优势，提升生产作业的综合效益。参考文献1 刘艳东.电气自动化控制技术应用于煤矿开采的研究 J.内蒙古煤炭经济,2022(19):34-36.2 李宏腾.电气自动化控制技术在煤矿开采作业中的应用 J.能源与节能,2022(2):170-171.3 韩光.电气自动化控制技术在煤矿开采作业中的应用 J.矿业装备,2021(3):54-55.4 栗靖,董小波,黄泉清,等.电气自动化控制技术在煤矿开采作业中的运用研究 J.内蒙古煤炭经济,2019(15):29-30.5 邢剑.电气自动化控制技术在煤矿开采作业中的应用研究 J.中国化工贸易,2019,11(4):130.作者简介边瑞锋（1992-），男，山西省宁武县人。大学本科学历，助理工程师。研究方向为采矿工程。表 1：实验数据对比组别对照组数据组自动化组生产效率（万 t/d）37.235.541.8风险察觉（n/%）482（96.4）479（95.8）499（99.8）