煤礦電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

高亞超

（陜西延長(zhǎng)石油巴拉素煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000）

1 電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

在煤礦企業(yè)生產(chǎn)過程中，電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)具有多樣化的功能，如自動(dòng)控制、動(dòng)態(tài)監(jiān)控、測(cè)量與保護(hù)等功能。另外，電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)也具有一些鮮明的特點(diǎn)，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的兼容性。煤礦企業(yè)在開展深層開采工作的過程中，往往會(huì)面臨較為復(fù)雜的工作環(huán)境，這對(duì)電氣設(shè)備的可靠性及性能等提出了更高的要求。雖然不同的電氣設(shè)備在運(yùn)行過程中有不同的功率與應(yīng)用范圍，但電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)可以對(duì)這些不同的設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一控制，促使這些設(shè)備協(xié)同工作，從而為提高煤礦深層開采工作效率提供助力。當(dāng)然，復(fù)雜的煤礦深層開采工作環(huán)境也對(duì)電氣自動(dòng)化通知系統(tǒng)的兼容性、開放性等提出了較高的要求，這促使較強(qiáng)兼容性成為現(xiàn)代電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的重要特征之一。二是電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)具有高度集成化特點(diǎn)。在電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中，為了滿足不同工序的需求，電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)集成了多樣化的技術(shù)與功能，這促使電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)擁有更為強(qiáng)大的功能，進(jìn)而在現(xiàn)代煤礦企業(yè)發(fā)展過程中發(fā)揮無可替代的作用。三是電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)智能化水平不斷提升。電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)通過對(duì)程序進(jìn)行設(shè)置，可以對(duì)各類設(shè)備進(jìn)行控制，以此完成煤礦開采任務(wù)并根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整煤礦開采方案，這對(duì)于提高煤礦企業(yè)的生產(chǎn)效率、加強(qiáng)煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)管理等都具有重要意義。

2 煤礦電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的組成部分

現(xiàn)階段，電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)已經(jīng)被應(yīng)用在我國(guó)煤礦生產(chǎn)的不同環(huán)節(jié)和階段，并取得突出的成效。在信息化時(shí)代背景下，煤礦生產(chǎn)已經(jīng)離不開風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)和數(shù)字處理，這便需要更專業(yè)、更科學(xué)的控制裝置系統(tǒng)來應(yīng)對(duì)煤礦生產(chǎn)中的惡劣環(huán)境。然而，電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)在應(yīng)用的過程中還存在諸多問題，需要技術(shù)人員在明確控制系統(tǒng)組成部分的前提下對(duì)這些問題進(jìn)行解決，使電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)更能滿足我國(guó)煤礦生產(chǎn)的實(shí)際需求和時(shí)代發(fā)展要求。

2.1 信息采集系統(tǒng)

信息采集是電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的基本功能，信息采集系統(tǒng)能夠借助通信模塊將具體情況傳遞給可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），隨后根據(jù)煤礦生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以便技術(shù)人員在突發(fā)狀況出現(xiàn)后能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行充分、全面、具體的了解。此外，信息采集系統(tǒng)還能通過信息交換實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，將運(yùn)行信息和數(shù)據(jù)以聲光傳輸?shù)姆绞絺鬟f出去，讓煤礦生產(chǎn)工作更加有序、安全、穩(wěn)定。在大數(shù)據(jù)背景下，信息采集系統(tǒng)逐漸與大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、分析技術(shù)相融合，使數(shù)據(jù)分析從傳統(tǒng)的單向分析發(fā)展為包含數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)、數(shù)據(jù)整合及數(shù)據(jù)挖掘的多向分析，切實(shí)提高了煤礦信息收集的質(zhì)量，并且使電氣自動(dòng)化系統(tǒng)具有鮮明的智能化、信息化特征。

2.2 PLC

PLC 作為自動(dòng)化控制裝置被廣泛應(yīng)用在煤礦設(shè)備的控制中。通常來講，我國(guó)煤礦電氣設(shè)備主要采用PLC 來確保生產(chǎn)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，該控制器通常包括數(shù)字量模塊、主站單元、通信模塊、擬量模塊等內(nèi)容，其中主站單元可以方便電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)對(duì)各類電氣設(shè)備進(jìn)行控制和監(jiān)督，確保煤礦設(shè)備都能穩(wěn)定且有效地運(yùn)行。此外，擴(kuò)展單元可以將煤礦電氣設(shè)備劃分為上下兩部分，切實(shí)提高了控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)備報(bào)警系統(tǒng)的控制質(zhì)量，也提高了信號(hào)的交換頻率和煤礦生產(chǎn)效率。

2.3 電氣控制系統(tǒng)

礦井開采控制和溫度控制是電氣控制系統(tǒng)的核心內(nèi)容，能夠充分反映電氣設(shè)備整體的運(yùn)行狀況，因此優(yōu)化控制系統(tǒng)對(duì)煤礦生產(chǎn)具有較為明顯的現(xiàn)實(shí)價(jià)值和作用。在實(shí)踐中，測(cè)量設(shè)備的熱電阻所對(duì)應(yīng)的設(shè)備傳感器可以保持較高精度和靈敏度的傳感功能。但在煤礦生產(chǎn)的過程中，工作人員需要確保傳感器溫度保持在100℃以下，這樣才能更好地實(shí)現(xiàn)電氣控制系統(tǒng)閉環(huán)控制的目標(biāo)。而在日常生產(chǎn)中，工作人員還需要借助互聯(lián)網(wǎng)與監(jiān)控層的相互連接，核算或計(jì)算礦井中的“瓦斯含量”、檢測(cè)“通風(fēng)狀況”、控制“電氣設(shè)備”和“單元過程”，而監(jiān)控層則需要利用組態(tài)來獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，提高數(shù)據(jù)信息的處理質(zhì)量。

3 煤礦電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)策略

在煤礦企業(yè)生產(chǎn)過程中，電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)對(duì)提高生產(chǎn)效率、進(jìn)一步提升生產(chǎn)現(xiàn)代化水平等具有重要意義。鑒于此，在煤礦電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中，設(shè)計(jì)人員需要嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)流程，面向?qū)嶋H和需求，合理選擇設(shè)計(jì)思路，科學(xué)制訂設(shè)計(jì)方案，并通過提高軟硬件質(zhì)量及其兼容性等滿足煤礦電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)在應(yīng)用過程中的穩(wěn)定性及可靠性需求。

3.1 電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路優(yōu)選

隨著電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中不斷發(fā)揮作用，電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的適用范圍及形態(tài)等也得到了持續(xù)拓展。當(dāng)前，工業(yè)領(lǐng)域的電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包含現(xiàn)場(chǎng)總線監(jiān)控、遠(yuǎn)程監(jiān)控與集中監(jiān)控3 類，每一種設(shè)計(jì)思路都既具有明顯的優(yōu)勢(shì)，也具有一定的局限性。其中，集中監(jiān)控?zé)o論是在設(shè)計(jì)還是后期維護(hù)方面都更加便捷，但基于這種設(shè)計(jì)思路構(gòu)建的電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)在應(yīng)用過程中存在以下問題：即煤礦企業(yè)生產(chǎn)管理中的各類信息都需要由中央處理器處理，這不僅導(dǎo)致中央處理器需要承擔(dān)較大的運(yùn)算壓力，而且會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤增加且效率降低。基于遠(yuǎn)程監(jiān)控思路構(gòu)建的電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)具有成本較低、管理靈活的特點(diǎn)，但與集中監(jiān)控一樣，遠(yuǎn)程監(jiān)控也存在信息傳輸量巨大及現(xiàn)場(chǎng)總線高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的問題。相較于前兩者，現(xiàn)場(chǎng)總線監(jiān)控則具有維護(hù)更為便捷及適應(yīng)范圍更為廣泛的特征，這種電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路的出現(xiàn)也促使電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的智能化水平得到進(jìn)一步提升。另外，這種電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路的應(yīng)用也成為煤礦電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要選擇。

互聯(lián)網(wǎng)與信息技術(shù)的發(fā)展為現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在煤礦企業(yè)中的應(yīng)用創(chuàng)造了良好的技術(shù)環(huán)境。當(dāng)前，煤礦企業(yè)在對(duì)這種電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用的過程中積累了較為豐富的經(jīng)驗(yàn)，這為煤礦企業(yè)電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的持續(xù)優(yōu)化奠定了良好的基礎(chǔ)。基于現(xiàn)場(chǎng)總線監(jiān)控方式的電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有更強(qiáng)的針對(duì)性，因而其能夠在一定程度上滿足煤礦企業(yè)實(shí)際需求。相對(duì)于遠(yuǎn)程監(jiān)控而言，現(xiàn)場(chǎng)總線監(jiān)控方式不僅具備其大部分優(yōu)勢(shì)，而且能夠有效減少各類配件、設(shè)備的使用量，促使電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)在成本控制及維護(hù)便捷性方面具有更為明顯的優(yōu)勢(shì)。另外，在電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中，不同裝置都具有相對(duì)獨(dú)立的功能，模塊化是現(xiàn)場(chǎng)總線監(jiān)控方式所具有的重要特征。煤礦企業(yè)在開展電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，需要具備與時(shí)俱進(jìn)及可持續(xù)發(fā)展的意識(shí)，將更為先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用到系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作中，從而在提升系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上，為有效控制系統(tǒng)后期維護(hù)成本奠定良好的基礎(chǔ)。

3.2 可靠性需求視角下系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)策略

在煤礦企業(yè)開展電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，可靠性是一個(gè)需要重點(diǎn)考慮的因素。事實(shí)上，雖然電氣自動(dòng)化控制相對(duì)于傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式而言呈現(xiàn)出了可靠性更高的特點(diǎn)，可以有效提高煤礦企業(yè)生產(chǎn)率、改善煤礦企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，但電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)在其應(yīng)用過程中仍舊面臨一定的可靠性風(fēng)險(xiǎn)。從可靠性視角對(duì)電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)開展優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅能夠保障煤礦企業(yè)各項(xiàng)生產(chǎn)工作有效開展，而且對(duì)于降低煤礦企業(yè)生產(chǎn)成本具有重要意義，這也表明了煤礦企業(yè)有必要從這一角度對(duì)電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在從可靠性需求視角對(duì)電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)開展優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)人員需要對(duì)可靠性影響因素進(jìn)行全面的把握。具體而言，影響電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)可靠性的因素主要包括內(nèi)部因素與外部因素兩類。其中，內(nèi)部因素主要為設(shè)備因素，如元件質(zhì)量難以滿足電氣自動(dòng)化系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下正常運(yùn)行的需求，會(huì)導(dǎo)致電氣自動(dòng)化系統(tǒng)無法可靠運(yùn)行。無論是沒有對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行科學(xué)評(píng)估還是在元件選擇方面存在偷工減料的問題，都會(huì)導(dǎo)致電氣自動(dòng)化系統(tǒng)無法可靠運(yùn)行。當(dāng)然，難以完全避免諸如電磁波干擾等影響因素，這也是內(nèi)部因素中的一種。外部因素則主要是人為因素，即在電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中，工作者不具備對(duì)其進(jìn)行合理操作的能力或者沒有有效履行自身職責(zé)等，這些都導(dǎo)致電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)在誤操作或者高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)中出現(xiàn)故障。

在明確電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)可靠性影響因素的基礎(chǔ)上，電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)人員還需要對(duì)既有的系統(tǒng)開展可靠性測(cè)試，從而找出系統(tǒng)存在的可靠性風(fēng)險(xiǎn)。在此過程中，可靠性測(cè)試方法主要包括實(shí)驗(yàn)室測(cè)試法、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法以及保證測(cè)試法。其中，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法需要使用較多的試驗(yàn)品，并產(chǎn)生一定的成本問題，所以這種方法更適用于大批量生產(chǎn)。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)情況作出評(píng)估，但在待測(cè)設(shè)備的安裝與連接方面具有較大的難度。保證測(cè)試法又稱為“烤機(jī)”，主要應(yīng)用在樣品的可靠性檢測(cè)中。在確定可靠性測(cè)試方法之后，設(shè)計(jì)人員還需要對(duì)測(cè)試場(chǎng)地、測(cè)試環(huán)境以及測(cè)試產(chǎn)品等進(jìn)行選擇，并依據(jù)特定的操作程序開展測(cè)試實(shí)踐。

在完成測(cè)試工作之后，設(shè)計(jì)人員還需要對(duì)電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)可靠性提升策略進(jìn)行探索。一般而言，為了能夠提高電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計(jì)人員可以從以下幾個(gè)方面對(duì)煤礦電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。首先，對(duì)電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的元器件進(jìn)行合理選擇。元器件種類越少、通用程度越高，越有利于提高后期維護(hù)的便利性并有效提高電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的可靠性，這是因?yàn)橥ㄓ贸潭雀叩脑骷哂懈菀籽b配以及精度更高的特點(diǎn)。因此，在對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化的過程中，設(shè)計(jì)人員有必要重視使用具有更高通用性的元器件。其次，在元器件的選擇中，設(shè)計(jì)人員不僅需要了解元器件使用環(huán)境，而且需要在新能源方面留有余量。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要對(duì)元器件的可靠性指標(biāo)進(jìn)行分析，從而為之后元器件選擇工作的開展提供依據(jù)。再次，設(shè)計(jì)人員需要重視提高電子設(shè)備的氣候防護(hù)能力。在電子自動(dòng)化控制系統(tǒng)工作過程中，污染氣體、潮濕空氣、霉菌、鹽霧以及氣壓等都會(huì)對(duì)電子設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的表現(xiàn)產(chǎn)生影響，如潮濕空氣會(huì)讓電子設(shè)備產(chǎn)生凝露現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致電子設(shè)備性能下降并提高電子設(shè)備的故障率。最后，為提高電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計(jì)人員需要明確電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境對(duì)元器件、設(shè)備所提出的要求，在確保性能足夠的基礎(chǔ)上，盡量選用性能更高的產(chǎn)品。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)人員有必要從整體性能以及后期維護(hù)等層面對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行周密設(shè)計(jì)，從而從整體層面提高電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié)語

在煤礦企業(yè)生產(chǎn)中，電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)呈現(xiàn)出了較強(qiáng)的兼容性、集成性以及智能化特征。在對(duì)電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化的過程中，設(shè)計(jì)人員需要面向?qū)嶋H、面向需求，在合理選擇設(shè)計(jì)思路的基礎(chǔ)上，從可靠性視角對(duì)影響電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的因素進(jìn)行全面把控，并在對(duì)電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)做好可靠性測(cè)試的基礎(chǔ)上，探索提高電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)可靠性的路徑，從而確保電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的所有優(yōu)勢(shì)能夠得到充分發(fā)揮。