单片机在煤矿电气自动化系统中的应用

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[摘 要]煤矿电气自动化控制技术的快速发展给煤矿企业带来了新的生产技术,单片机的特性就是具有较强的编程能力以及逻辑运算能力的,在煤矿电气自动化系统的更新中发挥重要的作用.文章从煤矿电气自动化技术的要求谈起,解释单片机给煤矿自动化控制技术的更新带来的优势,同时分析单片机控制系统下煤矿电气化系统中其他模块.

[关 键 词]单片机；电气控制；煤矿；应用

传统的接触器、继电器控制系统虽然因为控制设备简单、操作容易、价格低廉、便于维修等特点而在煤矿生产中得到广泛应用,但这种设备的许多缺点也是不容忽视的,如电器触点寿命短、可靠性差、灵活性差等特点,使得该控制设备在实际工作中应用范围十分狭窄,随着电子技术的发展,人们对于智能度高,功能扩展范围大的控制设备的需要越来越大,传统控制电路的开始逐渐从控制领域退出.煤矿企业将传统的接触器控制电路向替代为智能化控制电路是电气控制不断发展下的必然趋势.

一煤矿电气工程自动化生产要求分析

过去所谓的电气控制技术主要是指继电器逻辑控制系统,控制模式单一且不具有灵活性,目前的煤矿电气自动化控制系统主要是以微计算机网络为中心的控制系统.现代煤矿电气控制技术是一个技术协作的典范,有效地将计算机智能技术、自动控制和网络通信技术等因素强势结合起来,形成智能化的煤炭自动挖掘系统.在引进电气自动化控制系统时,需要电路图来帮助煤矿企业完成对电气自动化控制系统的操作管理.电路图详细地说明了电气设备的作用和工作原理.依据电路图,人们可以知道电气线路该如何安装、电气设备怎么调试和维修,并据以掌握煤炭生产的工艺要求和操作方法,在此基础上,进一步明确系统的中的电动机、电磁阀等执行电器的控制内容.

煤矿生产环境中粉尘和易爆、易燃气体较多,所选用的电气设备也需要具有较强的防护能力,如具有较强防爆性能的增安隔爆复合型设备等.选用的电气设备不能满足防爆要求的,可考虑使用防爆箱,将这类设备安装在防爆箱内,同样可以起到防爆使用的要求.此外,需要注意的是设备高频工作时的温度也要注意低于应用环境中可燃气体的温度.

除此之外,设备在使用中要尽量避免浸泡于水中,与设备连接的电缆也应是防爆工作中应注意的重点,要尽量防止挤、刺等行为对电缆造成的损坏.尽量不在设备或者电缆外部增加额外部件,防止对设备原本设计的防护体系造成破坏.

在瓦斯和煤尘有关的爆炸事故中,占比例最大的原因是电气设备漏电引起电火花引燃.因此,防止漏电应成为一项重要的防爆内容.另外,还应注意接地系统的布置,做好变电站及使用的设备的在进户前和进户后的接地,该措施中形成的等电位作用可以有效起到保护煤矿生产现场的人和设备免受雷电袭击的作用.要对环境中的易燃气体的浓度、风速、负压、湿度、温度等情况进行监控,可借助环境安全监控系统来提高监控的效率.该系统可以实现对易燃气体的不间断监控,一旦发现异常现象能够发出声光来报警,还能及时采取断电等措施.

二单片机技术的发展分析

计算机从发明到目前的普遍运用,仅仅用经过了几十年的时间,其发展是突飞猛进式的.上世纪七十年代,出现了超大规模集成电路,此后,计算机的计算速度更快,运行稳定性更强,而且体积越来越小,计算机呈现出微型化的特征.单片机技术就是在这种微型计算机技术的基础上发展起来的最新成果.该项技术在一个芯片上将计算机所有的主要部件如CPU、RAM、ROM等集成在一起,使控制系统有编程功能,可以代替线路实现功能.集成后的单片机在使用上更加专业化,运行效率更高,特别适用于工业领域的要求.

三单片机在煤矿自动化系统中的应用

在短短的几十年,单片机技术就使得工业领域的计算机应用面貌焕然一新,目前煤炭企业贯彻节能增效理念,普遍通过单片机的应用达到目的.实际应用成果大致有以下几个方面：

1.漏电保护

低压漏电保护是保证煤矿井下安全供电的有效措施之一.传统的检漏设备大部分采用的都是分立元件,智能化水平较低,执行检测时需要长时间动作,且有容易出现检测死角.采用单片机系统（如图1所示）的检漏设备,具有智能击落判断功能,能够在合闸的瞬间闭锁检漏回路,等线路状态稳定后再进行检漏,检测结果较为可靠,误判很少,系统非常可靠,还可控制减少漏电时的停电范围.

智能的漏电断路器的原理如图所示：漏电发生时,互感器立即将剩余电流转换成信号,经放大器放大后,输入到单片机端口,单片机即可对剩余电流进行检测.系统中的相位同步电路能发出与电网频率相同的脉冲信号,提供给单片机.单片机判断出剩余电流过零点,结合脉冲信号,一起检测出漏电后电流幅值和相位的变化,完成对漏电的检测.单片机控制系统还能根据漏电情况,采取不同的漏电保护措施.这是因为系统提供了设定额定动作漏电电流、动作时间的功能.

2.风机节能

风机负担着煤矿井下空气供应的重要任务.煤矿生产对井下风速、风压的大小有一定的要求,在不同生产阶段,空气需要量也不相同,这个需要是恒速风机所难以满足的.传统的风扇调速系统是绕线式交流串级调速.但在控制灵活性和准确性方面,还是加入了单片机的数字化控制系统更加优秀,如图2所示,加入单片机后,控制系统更加简单,且系统稳定性更强.而且,相比绕线式调速装置,采用单片机的控制系统的造价非常低.

这种装置的控制系统用软件代替大量的硬件逻辑电路,减少大量使用电路的复杂性,使得系统的可靠性和控制精度也大大提高.

3.变电所运行控制

变电所的可靠性对煤矿生产顺利进行至关重要.这是因为能源紧张的加剧和节能环保的倡导下,电业部门出台措施限制了各工矿企业的用电额.若用电负荷超过规定值或用电总量超过限定值,会受到电业部门给予的超额罚款.煤矿类企业属于能源消耗大户,用电量常常会超出定额.一个中型或大型煤矿每年需要缴纳的罚款额都在几十万左右.以往采用人工对用电量进行统计的做法,显然不足以解决问题.若能使用加入单片机技术的智能电度表来对用电额进行随时控制,则可以帮助工矿企业解决这个问题,减少罚款的费用支出.一旦全矿在用电超负荷,系统会连续报警,提醒有关人员注意.当期值班人员立即通知全矿的生产调度室及有关部门采取行动压低负荷,将负荷降到规定额度以下.4、井下环境的监控系统

传统的环境监控系统是手持直读式就地检测装置,但这种装置不能监控到测量间隔时间段内的变化.若在此时间段内井下瓦斯浓度升高,很难被发现,对煤矿安全生产造成直接威胁之高,难以估量.而采用了单片机控制系统的井下环境的智能检测系统可以连续地对矿井环境进行检测,反应极为灵敏,且没有测量间隔期,可以起到提高矿井安全,预测隐患的.这套智能监测系统能够不间断对井下的瓦斯情况进行检测,还能辅助检测明火、通风状况等.一旦发现异情,可以立即报警,给工作人员留下了采取措施规避风险的时间.

5.提升机的技术改造

在我国,采用交流电动机拖动提升的矿井占到总数的90%以上,而且这种提升方式采用的控制部件几乎都是经过改良的绕线式交流电动机转子串电阻.特殊情况如负载变动很大时,这种控制部件启动性能不够理想.且这种控制装置内部设置线路比较复杂,还需要大量触点辅助,实际使用起来非常麻烦.以单片机为核心的控制系统的提升机就克服了这些麻烦,系统操作起来非常简单,反应非常灵活,且吊篮提升启动十分平稳,并能根据测量所得的电流情况估算每一钩的实际负载.而且,传统提升机常有的烧坏启动电阻情况也很少见了.

6.井下电动机调度系统

电动机调度系统的主要作用是对全矿井下的电机车统一调度,保证生产活动平稳有序进行,防止出现运输事故.该调度系统的主要控制内容有：全盘调动井底的电机车；控制岔道口的信号灯使其能够发挥指示方向的作用；跟踪各电机车,并将跟踪结果显示在模拟显示盘上,使控制人员指导电机车的具体位置；轨道的变轨移位；自动监视井下尾车状况.井下电机车调动系统的工作复杂,精确度要求高,采用传统的逻辑电路控制系统缺点颇多,而采用可编程控制器后,不仅大大简化了井下电机车调度系统的控制线路,而且调度系统的灵活性和作业精确度都显著增强,但是,控制装置却小巧了许多.这种智能化和微型化的调动系统正是未来井下电机车调度系统电气化的优秀代表.

7.滚筒采煤机的自动调高系统

煤层在地下的分布是不均匀的,煤层的厚度是有变化的.采煤机在作业过程中应不断地调整开采高度以适应煤层厚度变化.以往的采煤机不具备较强的灵活性,常常会挖掘到坚硬的岩石,给采煤机造成程度不一的损坏,严重影响采煤机的使用寿命.而单片机技术可以有效提高滚筒采煤机的智能程度,使采煤机能够自动调整开采中的高度,避免采煤机对岩石的强力开采这种情况的发生采煤.

控制系统采用单片机技术之后,具有连续测量采煤机驱动电机的定子电流的功能,根据测出的定子电流的值,实时反馈负荷的情况.由于岩石的质地硬于煤,采煤机遇到岩石时,机器的负荷会增大,引起了电动机的低定子电流的增加,当电流的增量大于某一个预先设定的正值时,单片机控制系统会自动调整输出控制量使采煤机的高度自动变化.调高控制系统方框图如图4所示.

结束语

将各种先进的自动化技术应用于煤矿的日常生产中,可以有效的提高生产效率,而随着技术的不断发展以及煤矿实际生产的需要,综合自动化技术不断进步,产品不断成熟,实现煤矿综合自动化是必不可少的.我们相信,随着科学技术的不断发展,煤矿综合自动化水平将会不断提高,有效的实现各个煤矿的安全高效生产.从而为各个煤矿企业带来更大的经济效益,并促进企业的发展和不断壮大.

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