機電一體化技術在地下開采礦山的應用

韓國寶

(廣西錫山礦業有限公司，廣西南寧 530022)

機電一體化(Mechatronics)是集機械、電子、計算機和信息技術等多種技術有機結合的一門交叉綜合技術。機電一體化是從系統的觀點出發，綜合運用機械技術、微電子技術、自動控制技術、計算機技術、信息技術、傳感測控技術、電力電子技術、接口技術、信息變換技術及軟件編程技術等群體技術。根據系統功能目標和優化組織目標，合理配置布局各功能單元，在多功能、高質量、高可靠性、低能耗的意義上實現特定的功能價值，使整個系統達到最優化的一種系統工程技術。他并不是單純地利用電子技術來簡化或代替機械，更重要的是將機械系統、微電子技術、計算機技術、信息技術組合成了最佳系統。

1 重要意義

機電一體化設備的使用大大改善了礦工的勞動強度，增加了工作環境的安全系數，同時在節能降耗、保障安全生產方面起到了很好的作用。機電一體化設備具有智能化、程序化、信息化、集成化的特點。主要表現為設備體積小，操作、維護方便，保護設施齊全，性能可靠等優點。通過自動檢測及反饋系統，能對所反饋的信息對設備進行自動調節和控制，在無人值守的情況下，確保了設備的安全運行。未來的機電一體化設備將做到更加人性化的設計，在功能上進一步完善，在精度上進一步提高，同時加大開發微處理器、計算機和信息技術、通信技術等專業技術，使機電一體化技術在礦山設備中得到廣泛應用，促進礦山企業快速發展，為地方經濟的快速發展起到積極的推動作用。

近年來，隨著礦山機械化進程的逐步加快，在機電一體化技術的研究和應用上也取得了重大突破，特別是在地下礦山開采的安全避險“6大系統”(即壓風自救系統、井下通訊聯絡系統、監測監控系統、井下人員定位系統、供水施救系統、緊急避險系統)。以及大型設備的綜合后備保護及自動化控制方面都取得了重大進展。礦山機電一體化技術是礦山綜合自動化的基礎，機電一體化設備的應用大大提升了礦山生產的綜合實力，為實現高效、安全、潔凈、結構優化的礦山企業奠定了堅實的基礎，也為礦山企業帶來了經濟效益和社會效益的雙豐收[1]。

2 主要應用

隨著礦山企業井下戰線的延長及采區面積的增大，以前老礦山存在的人員多、效率低、單位生產能耗高的現象已無法適應現代礦山企業的需要。要想生存和發展，必須淘汰落后產能，改造落后的高耗能設備，實現產業的轉型升級，這也是現代礦山企業生存和發展的需要。

1)在無人值守智能泵站的應用

礦山的排水系統是礦山建設和生產中不可缺少的一部分，它對保證礦井正常生產起著非常重要的作用，而中央泵房作為礦山排水系統的核心部分，將擔負著井下主要的排水任務。保障排水設備的安全穩定可靠的運行，及時發現設備運行過程中的異常對保障整個礦山的安全生產顯得非常關鍵。

目前很多礦山采用的無人值守智能控制排水系統是在原有設施的基礎上進行自動化改造，以使設備在無人干涉的情況下能自動運行和自我診斷的一套控制系統，整個系統由數據采集與檢測、現場監測與控制、遠端監控指揮3個部分組成。該系統通過對所攜帶的壓力傳感器、轉速傳感器、溫度傳感器等各種傳感器傳輸回來的信號進行檢測與反饋，由控制計算機對所反饋的信號進行分析后做出相應的指令對水泵進行控制。當水位上升時，DCS柜就會將水位傳感器傳出的信號轉換為計算機可識別的數字信號傳入控制計算機，經控制計算機進行判斷后，由控制計算機發出指令操縱啟動柜完成相應動作。在泵的運行過程中，電流互感器、溫度傳感器等設備將數據經DCS柜轉換傳給控制計算機，從而達到對水泵的運行工況進行全程監控。如發現水泵運行異常，控制計算機發出一系列指令使水泵停止運轉，同時啟動備用水泵，控制計算機記錄下的各種數據可提供查詢使用。該系統所使用的遠端安全監控系統不僅提供了前端作業區實時視頻瀏覽，而且可實現門禁及動力環境設備實時報警，在第1時間將報警信息及現場采集的影像資料上傳至中控室或網絡管理中心，由中心進行遠程指導或者遠程操作排除險情，使事故得到及時處理，做到泵站在少人或無人值守的情況下能夠正常運行，真正體現了泵站的現代化管理和智能化操作。

2)在提升機中的應用

礦物提升是礦山生產的咽喉，對設備的電氣傳動及機械性能要求都很高，礦井提升機是目前礦山機電一體化設備中自動化水平最高的設備。目前所使用的全數字化交直流提升機，從結構上將滾筒和驅動合為一體，機械結構大為簡化，充分體現了機械—電力電子—計算機—自動控制的有機結合。采用PLC技術、變頻技術等大大簡化了電器設備的安裝，使系統組合十分方便，增強了抗干擾能力，同時通過采用芯片統一控制和PLC外端電路相結合的控制方式，使PLC系統除能完成繼電器系統具有的功能外，還能實現一些軟件功能，提升了提升機的可靠性。該系統具有更完善的軟硬件保護環節；實現了電動機的真正軟啟動；實現了無級平滑調速，可在靜態或動態任意調整電動機轉速；運行平穩，無轉差沖擊，大大減輕了機械沖擊的強度，提升操作系統能夠實現調繩、手動、半自動、全自動運行；除常規的保護外，還具有深度指示器斷軸(斷線)保護、減速點后備保護、錯向保護、給定方向記憶保護、二級制動解除保護、減速段超速保護、自動換向等功能；系統能實現提升機運行全過程的自動監控，對提升機運行過程中的參數及可能危及提升機正常運行的設備進行監測，并具有故障顯示、報警功能；維護工作量比原系統減少很多，耗電量也大大降低，節能效果非常顯著。電控系統結構簡單、應用靈活、編程方便、運行穩定可靠，大大提高了提升機的安全運行，減少維護工作量，縮短了提升時間，提高了生產效率。目前我國研制成功的擁有自主知識產權的數字化提升機，其核心部分采用了由雙CPU構成的計算機系統，具有性能先進、操作簡便、準確可靠的特點，提高了提升機的性能，實現了提升機的全自動化[2]。

3)在礦井通風機中的應用

礦井通風是地下礦山生產的主要用電設備之一，其節能運行在礦山節能降耗工作中占有重要的地位。地下礦山開采的特點是：巷道逐年加深，產量逐年增加，所需的通風量逐年上升。但礦井通風機在設計選型時，往往是按最大開采量時所需的風量為依據的，一般都留有余量，因此礦井在投產后幾年甚至十幾年內，礦井通風機都是處在低負載下運行。此外，由于礦山井下作業不均衡，不同時間所需要的風量也不同，以前的礦井在調節風量時，比較常見的做法是調節檔板，這種辦法雖然簡單，但從節能的觀點看，是很不經濟的。為了達到節能降耗的目的，可將可編程控制器應用在主通風機的自動化變頻系統上，該系統是以可編程序控制器作為控制核心，智能變頻器作為執行核心的機電一體化成果。兗州礦業(集團)公司楊村煤礦將此項技術應用于南風井和北風井的主通風機自動化變頻系統，通過改造后使主風機運行穩定可靠、調速平滑方便，而且實現了包括前導器和風門在內的全自動操作，在保證井下正常供風的情況下因礦井的風量需求減少而全年節約電費上百萬元。

該設計為了確保通風機的運行安全，將主回路設計為2部分：低頻部分由1臺VF61-2004智能變頻器和2臺ABB型低頻接觸器組成，是通風機的主運行回路；工頻部分由2臺降壓啟動器組成，作為低頻系統的后備回路，用于低頻系統發生故障的時候降壓啟動并且全速運行通風機。

控制系統由5部分組成：SU-6B工業可編程序控制器完成系統的自動控制和智能保護、WD41系列風量傳感器實現系統的風量閉環控制、風門絞車編碼器實現風門的絞車精確行程控制、電流變送器實現通風機的過流保護、前導器電動執行機構由可編程序控制器來控制前導器的開啟和并閉。

通風機的風門控制和風量閉環是程序設計的關鍵點。a在通風機運行過程中，如果風門的開、關過位，則有可能造成風門絞車斷電或者對風門造成損壞；如果開、關不到位，則會引起漏風從而影響通風機的效率。因而，除了在系統的硬件設計中給予充分的重視之外(采用TRD1000型軸編碼器)，軟件的設計也作了周密的考慮。b風量閉環的質量直接影響到礦井的通風質量甚至通風安全，所以在軟件設計中采用了PD調節的方式，以保證閉環的質量。

此項技術與以往的控制方式相比較，在可靠性及參數變更靈活性方面都具有很大的優越性，是目前礦山各種風量調節方法中最理想、最有效、最節能的調節方法，可以廣泛應用于礦井主通風機的自動化改造[3]。

4)在空氣壓縮機控制系統中的應用

空氣壓縮機是礦山生產的4大固定設備之一，他生產壓縮空氣，用以帶動風動鑿巖機等設備以及其他風動工具，其能否安全運行直接影響礦山生產的產量和效益問題。隨著礦山現代化的發展，對礦山設備的要求也越來越高，建設本質安全性礦山已成為礦山企業生產建設的核心。礦山設備不斷更新，不斷進步，對設備的可靠性、易操作性、可監視性、易維護性提出了更高的要求。過去由繼電器搭成的控制器已不能適應當前的需求。隨著電子技術、軟件技術、控制技術飛速發展，可編程控制器(PLC)與由繼電器搭成的控制器相比，因其高性能和良好的性價比受到了用戶的青睞。目前很多礦山使用的螺桿式空氣壓縮機，都是采用PLC作為核心控制器，通過檢測儀器為PLC提供控制中所需要的信號參數，從而對空壓機進行自動巡回檢測控制。進行監控的主要參數有空壓機高低壓缸溫度、潤滑油溫度、電機溫度、排氣溫度、排氣壓力等，實現了對設備運行的實時監控。同時系統內部的軟邏輯功能，極大的簡化了空壓機控制回路外部接線，外部線路清晰明了。此外PLC支持在線編輯功能，方便現場實現調試，增加了故障指示功能和故障閉鎖功能，便于空壓機故障的查找和處理，極大地縮短了系統恢復時間，即使非電氣專業人員也可以根據故障顯示知道故障所在，及時檢查和處理，從而極大地提高了系統的可靠性。系統程序設計中采用相互閉鎖接點故障檢測設計，避免主交流接觸器、熱繼電器、水壓儀表、油壓儀表出現接點故障，在滿足工藝要求的基礎上程序設計語句實用、簡練、功能清晰明了，提高了設備的自動化管理水平。

3 結語

機電一體化技術作為眾多科學技術發展的結晶，已經成為企業信息化的重要支撐技術，目前已經成為礦山綜合自動化的基礎。機電一體化技術在礦山采、掘、運輸裝備的應用與推廣，極大地提升了我國礦業生產的綜合實力，為實現高效、安全、潔凈、結構優化的礦業生產打下了扎實的基礎。

[1]祁小平.機電一體化技術的發展趨勢[J].中國科技信息，2007(12)：311-312.

[2]孫樹樸，肖亮，王旭光，等.半導體交流技術[M].北京：中國礦業大學出版社，1994.

[3]武永勝，李旗.利用變頻技術實現煤礦主通風機節能運行[J].煤礦開采，2008，13(6)：68-69.