摘要：煤矿安全高效生产的关键技术之一是煤矿机械电气控制系统，本文对其运用展开了深入研究，先介绍基本构成，像传感器、执行机构、控制器这些主要部分都会涉及，再分析它在煤矿开采中的主要应用，例如采煤机、运输 机、支护设备等的自动化控制，然后重点讨论关键技术，包含PLC 控制技术、变频调速技术、网络通信技术等，接着阐述其在提高生产效率、保障安全生产、降低能耗等方面的重要性，最后针对实际应用中系统稳定性、抗干扰能力、 智能化水平等方面的问题提出相应优化措施与发展建议，研究显示煤矿机械电气控制系统广泛用于煤矿对推动煤矿智能化、自动化发展意义重大，以后还需进一步提升系统的可靠性、智能化水平和综合性能才能满足煤矿安全高效生产 需求。关键词：煤矿机械；电气控制系统；自动化；PLC；智能化

1、引言

全球主要能源之一的煤炭在世界能源结构里有着重要地位，国际能源署（IEA）数据显示虽然可再生能源发展很快，但全球约35%的电力需求仍由煤炭提供，像中国、印度这样的新兴经济体煤炭消费量还处在较高水平，这么大的煤炭需求下提高煤矿生产效率与安全性成了行业发展最关键的任务，而现代煤矿自动化和智能化离不开煤矿机械电气控制系统这一关键技术支撑，实现目标它起着决定性作用。

煤矿开采环境复杂多变且具有高瓦斯、高粉尘、高湿度、易自燃、地质条件复杂等诸多特点，致使煤矿安全事故频发且事故发生率一直很高。国家煤矿安全监察局统计过，在过去五年间中国煤矿事故死亡人数虽有减少的趋势，从2018 年的333 人降到了2022 年的168 人，但煤矿安全生产形势还是很严峻的。现代煤矿机械电气控制系统把先进自动化技术、信息技术和通信技术整合起来构建起煤矿生产的“神经系统”，从而实现采煤、运输、通风、排水等关键环节的智能监控与自动控制。

近年来，工业 4.0 和智能制造理念深入推行使得煤矿机械电气控制系统由传统集中式 control 转变并向distributed、intelligent and networked direc 迈进。 中国煤炭 业协会发布的《煤炭工业“十四五”高质量发展指导意见》指出，到2025 年，我国要建成10 个以上 十 吨 能化煤矿且煤炭优势产区和大型煤矿基本上实现智能化开采，这一发展趋向让煤矿机械电气控制系统成为煤炭工业转型升级的技术支撑与创新焦点。

煤矿机械电气控制系统基本构成、运用现状及关键技术的系统分析是本文想要做的，并且想探究它在提高生产效率、保障安全生产以及节能减排方面起什么作用，同时针对实际应用中的问题拿出优化方案，从而给煤矿机械电气控制系统的进一步发展提供理论参考与技术指导。

2、煤矿机械电气控制系统概述

2.1 煤矿机械电气控制系统的定义和特

在煤矿开采时会用到一种把电气工程、自动化控制技术、计算机技术和通信技术等多个学科融为一体的煤矿机械电气控制系统，这个系统能实时监控采煤机、掘进机、运输设备、通风设备等煤矿机械设备并自动操作这些设备，其目的在于取代人工操作以达成煤矿生产过程的自动化、智能化和信息化管理，进而提升生产效率、确保安全生产、削减能源消耗以及减少环境污染[1]。

煤矿机械电气控制系统有着鲜明特性，其运行环境恶劣，要应对高粉尘、高湿度、高温、易燃易爆、强电磁干扰等复杂工况，在本质安全、防爆、抗干扰等方面有严格要求所以系统设计需满足这些。该系统的实时性与可靠性很高，要在24 小时连续运行中稳定工作且能迅速响应处理异常情况。它还明显呈现分布式、网络化、智能化特点，依靠多级控制架构和信息融合实现对煤矿生产全流程、全要素的协同控制和优化决策。

.2 煤矿机械电气控制系统的发展历程

煤矿机械电气控制系统的发展历程能划分成四个主要阶段，20 世纪60 年代之前，煤矿机械在传动上主要是机械式的且控制靠简单继电器，只能进 基本的开停操作以及机械保护，自动化水平相当低。到了20 世纪70 到80 年代，电力电子技术和PLC 技术被应用进来，于是煤矿机械控制系统步入电气自动化阶段，开始用接触器、变压器还有可编程控制器来实现单机设备的自动控制，不过那时缺少系统集成和信息共享的能力。

20 世纪90 年代到21 世纪初，煤矿机械控制系统因计算机技术和现场总线技术的引进而迈向数字化与网络化阶段，且当时像分布式控制系统（DCS）、数据采集与监视控制系统（SCADA）之类的先进控制架构冒出来，从而实现煤矿主要生产环节自动化控制与集中监管。2010 年之后，随着物联网、大数据、云计算和人工智能等新一代信息技术迅猛发展，煤矿机械电气控制系统进入智能化阶段，中国煤炭工业协会的数据表明，到2022 年底，我国已经建成803 个智能化采煤工作面和429 个智能化掘进工作面，数字化矿山建设也日渐普及开来。

2.3 煤矿机械电气控制系统的主要组成部分

煤矿机械电气控制系统有五个核心部分，分别是传感与检测单元、控制单元、执行单元、通信网络还有人机交互单元，其中传感与检测单元堪称系统的“感官”，由各种传感器和测量装置组成，像瓦斯传感器、温度传感器、压力传感器、位置传感器、流量传感器、视频监控装置等都包含在内，其职责是实时采集煤矿环境以及设备运行状态的多项参数，中国矿业大学的研究数据显示，现代智能化煤矿平均每个工作面配置的传感器数量超 100↑ ，从而实现生产过程的全方位监测[2]。

系统的“大脑”是控制单元，包含可编程逻辑控制器（PLC）、分布式控制系统（DCS）、工业计算机等控制设备，这些设备依据预设的控制算法和策略，对采集到的数据进行处理、分析与判断后生成控制指令。执行单元作为系统的“手臂”，由电动机、电磁阀、液压系统、气动系统等执行机构构成，它接收控制指令并执行相应操作以达成对煤矿机械设备的精确控制。通信网络是系统的“神经”，涵盖工业以太网、工业无线网络、光纤通信网络等，承担起系统各部分间数据传输与信息交换的任务。人机交互单元充当系统的“窗口”，包括操作站、监控中心、移动终端等，其作用是让操作人员与控制系统之间能够进行信息显示和指令输入，从而提供友好的操作界面以及决策支持。

3、煤矿机械电气控制系统的关键技术

3.1 自动化控制技术在煤矿机械中的应用

煤矿机械电气控制系统以自动化控制技术为核心，且采煤机、掘进机、液压支架以及输送机等关键设备广泛运用这一技术。可编程逻辑控制器（PLC）可靠性高、抗干扰能力强且编程灵活，在煤矿机械控制系统里成了主流控制平台。中国煤炭工业协会统计过，到2022 年为止，国内超 95%的现代化煤矿都用PLC 系统取代了传统继电器控制。煤矿行业主要被西门子S7 系列、施耐德Modicon 系列这两种防爆型PLC 产品把控，采煤、运输和辅助系统能被它们精确控制[3]。

煤矿机械电气控制的另一关键技术是变频调速技术，其通过调整电动机的频率与电压达成电机转速的无级调节，从而让设备运行效率和控制精度得到显著提升。采煤机截割系统使用变频调速能根据煤层硬度自动调整截割速度，使生产效率提高 20%还多并且削减了电机启动冲击，延长了设备使用寿命。皮带输送机控制方面，变频软启动技术可把启动电流降至额定电流的2 到3 倍，大大减轻对电网的冲击。另外，在煤矿机械电气控制系统里，运动控制技术、功率电子技术和电液比例控制技术也起着重要作用，为精准控制、能量优化以及故障诊断提供了技术支撑。中国矿业大学研究显示，综采工作面应用先进自动化控制技术后，平均单班产量较传统工作面提高了30%50% ，设备故障率也降低了40%以上。

3.2 传感器技术在煤矿机械控制中的运用

煤矿机械电气控制系统以传感器技术获取信息，其发展已从单一参数监测迈向多参数融合且从被动检测步入主动感知，在综采工作面，煤岩识别传 有多种原理如红外线、超声波、激光等能精准识别煤层与顶底板界面从而确保采煤机截割准确，国家煤矿安全监察局报告显示应用煤岩识别技术后采煤机截割精度可提高至±30mm 以内且矸石混入率可降低15%以上进而提升原煤质量与采煤效率。

在液压支架自动控制里，位置传感器与角度传感器起着关键作用，把高精度位移传感器和倾角传感器装到支架上后，就能对支架高度、前后倾角等参数实现实时监测，并且凭借电液比例阀控制技术，达成支架自动跟机、自动移架以及自动护帮的功能。中国煤炭科工集团研发的矿用智能传感系统集成多种像压力、位移、角度传感器之类的传感器并通过 CAN 总线组建网络，构建出全自动化支架控制系统，这系统在山西、陕西等地方的智能化矿井使用时表明，支架控制精度能到达毫米级别，工作面单班产量可提高25%[4]。

煤矿安全监测系统的神经末梢由瓦斯、一氧化碳、温度等安全传感器网络组成，并且新型光纤传感技术有着抗电磁干扰、本质安全的特性，在煤矿环境监测方面被广泛应用，2020 年出台的《煤矿安全监控系统及检测装置安全标志技术要求》进一步规范了煤矿传感器的技术标准，促使传感技术在煤矿安全生产里深入应用。

3.3 通信技术在煤矿机械电气控制系统中的应用

在煤矿机械电气控制系统里，通信技术是让各部分协调工作的重要环节 已经从单纯的有线通信迈向有线和无线相结合以及从窄带传输朝着宽 可靠性高且符合标准化的特点，在煤矿井下数据通信里充当起 设备的控制系统广泛应用PROFIBUS、PROFINET、EtherCAT 这 数据交换和控制指令传输的目标。中国煤炭工业协会的数据显示到 2022 年为止， 矿在构建矿井通信网络时运用了工业以太网技术。

煤矿复杂环境限制了有线通信， 无线通信技术克服了这一问题。Wi-Fi、蓝牙、ZigBee 等短距离无线通信技术用于煤矿机械控制系统 活的接入方式。窄带物联网（NB-IoT）、LoRa 等低功耗广域网技术前几年在煤 在复杂巷道里的覆盖难题。中国移动和国家能源集团联手开发基于5G 技 现 据传输，给视频监控、远程控制以及大数据应用提供通信保障[5]。在宁夏煤 控制指令延迟降到了20ms 以内，采煤机远程操控的实时性要求得到了满足。

煤矿主干通信网络首选光纤通信技术，因其容量大、速率高且抗干扰能力强，并且矿用本安型光纤收发器和光纤交换机一投入使用就有效解决井下强电磁环境干扰数据传输的问题，煤炭工业信息化“十四五”规划表明到2025 年我国要建成覆盖全国大多数煤炭生产企业的工业互联网平台以达成煤矿生产全流程网络化协同与智能化管控。

煤矿机械电气控制系统通信技术架构

3.4 人工智能技术在煤矿机械控制中的应用前景

煤矿机械电气控制系统正被人工智能技术逐步渗入并迎来控制方式和效能的革命性变革，机器学习和深度学习技术挖掘历史运行数据里的规律与模式使煤矿机械控制系统有了优化决策和预测维护的能力，像中国矿业大学和徐州矿务集团共同开发的基于深度强化学习的采煤机智能控制系统，能依据煤层厚度变化与煤质硬度自动调整截割参数，采煤效率可提高15%还多且能耗能降低大概 10% ，这种自学习、自优化的控制模式预示着煤矿机械电气控制系统未来的发展走向。

高清摄像头和红外成像装置被计算机视觉技术所 而达成对煤 矿工作面的实时监测以及异常情况的识别。华为携手陕煤集团共同研发出 作面诸如煤岩崩落、支架变形之类异常状况且准确率超 93% ， 了井下数据处理的实时性难题，在接近数据源之处部署计算节 得以提升。中国煤炭工业协会预测，到 2025 年，国内 60%以 其在采煤工作面智能化、设备故障预测、安全风险预警等领域尤其重要，这将推动煤矿从“自动化”迈向真正的“智能化”。

4、煤矿机械电气控制系统的实际应用案例

4.1 采煤机电气控制系统的运用分析

煤矿综采工作面核心装备是采煤机，其电气控制系统技术进步显著提升采煤效率与安全性[6]。这几年中国煤炭工业技术水平一直在提高，国家煤矿安全监察局数据表明，2020-2023 年中国智能化电气控制系统在采煤工作面的应用数量每年平均增长率为 18.3% 且智能采煤机普及率达 65% 。采煤机电气控制系统包含牵引控制系统、截割控制系统以及自动化监测系统并形成完整闭环控制网络。

现代采煤机电气控制系统广泛应用变频调速技术与 而实现采煤机智能截割和自适应控制，就拿某大型煤矿所用的 M 核心控制单元是西门子S7-1200系列PLC 且由ABB 变频器精准 倾角传感器对煤层变化加以实时监测并自动调整截割高度，进 入运用之后采煤机断电次数减少76.2% 、单班产量增加23.4%、煤炭 G 网络的远程监控功能让操作人员能在安全区域远程操纵采煤机，这大大降低工 作的时间并提高作业安全性。

4.2 刮板输送机电气控制系统的应用研究

煤矿井下主要的运输设备是刮板输送机，其电气控制系统发展已从传统直接启动方式演变为基于变频软启动与智能控制的现代系统。中国煤炭工业协会发布的《煤炭工业发展报告（2022）》显示，2019 到 2022 年中国煤矿运输系统在智能化改造上投资超320 亿元，采用新型电气控制系统的刮板输送机设备故障率降低 47.5% 且能耗减少 18.9% ，现代刮板输送机电气控制系统包含主控PLC、变频调速装置、负载检测装置以及安全保护装置等。

4.3 液压支架电气控制系统的实践探索

综采工作面关键的支护设备是液压支架，其电气控制系统创新应用对矿井安全有保障意义且能提高工作效率。中国矿业大学研究数据表明，2018-2022 年中国智能化液压支架控制系统技术专利申请量每年平均增长 26.4%且国产化率超 80%^17] 。现代液压支架电气控制系统已从原先的单体控制发展成分布式网络控制架构，主要组成部分包括电液控制阀组、传感测量系统、通信网络系统和中央控制单元。

5、结论

煤矿机械电气控制系统广泛应用于采煤机、刮板输送机、液压支架等关键设备，使煤矿生产的自动化和智能化水平得到显著提升，分析这些 现代电气控制系统已不再局限于单一设备控制，而发展成基于工业物联网的协同 程的智能协同作业，其中采煤机电气控制系统可实时监测煤层变化以 感知做到高效节能的“按需输送”，液压支架控制系统与采煤机位置协同控 实现智能化“跟 技术集成应用不但提高生产效率，还让煤矿安全生产条件有明显改善。

参考文献

[1]李文杰;高永华;赵雪飞;王宝存;.煤矿机械电气控制系统的运用[J].湖北农机化，2020（18）：61-62.

[2]褚庆伟;.煤矿机械电气控制系统设计研究[J].中国高新科技，2023（15）：108

[3]孙凯;.浅谈煤矿机械的电气控制系统[J].山东工业技术，2015（04）：85.

[4]何继贤;.煤炭机械的电气控制系统的设计[J].河北农机，2015（03）：53-54.

[5]韩冬;.煤矿机械电气控制系统的设计探讨[J].能源与节能，2014（05）：141-142.

[6]郝结东;.关于煤矿机械电气控制系统的设计研究[J].现代制造技术与装备，2018（12）：34-35.

[7]冯红占;.关于煤矿机械电气控制系统的设计研究[J].信息通信，2013（02）：282-283.