煤礦機械中機電一體化數控技術的思考

蘇驥

摘 要：隨著社會經濟的快速發展，經濟發展與人們的生活對于煤炭資源需求量日益增長，為此，我國廣泛開展煤炭資源開采工作。為保證煤炭生產質量與效率，需對現有設備進行改造升級，建立高效的生產線，保證經濟效益。本文以煤炭生產中的機電一體化數控技術應用為例進行分析，首先闡述了機電一體化數控技術概念，其次總結了常見的一體化數控技術類型及對煤礦生產的影響，然后結合實例對此類技術的具體應用進行論述，以供類似工程建設與優化提供參考。

關鍵詞：煤炭開采；機電一體化；安全監控

中圖分類號：TD67 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）20-0234-02

引 言

煤礦產業的產量與作業效率對于國民經濟發展有著直接影響，若在煤礦生產中投入機電一體化數控技術，則可以減少人工勞動量，提升煤礦產業效率，煤礦的開采質量也回得到提升。當前，我國煤礦開發中已經大量投入了機電一體化數控技術，在為煤礦開采質量提升奠定基礎的同時，在機械維護、安裝與使用等多個方面也起到了積極作用[1]。

2 機電一體化數控技術概述

當前，煤礦開采中機電一體化數控技術的應用十分廣泛，影響較大。機電一體化數控技術為電子技術、液壓技術和機械技術的綜合體，在煤礦機械操作過程中，為保證設備性能正常，需合理設置設備運行參數，實現設備安全、穩定運行。同時，為保證實際生產中，機械安裝與拆卸安全便捷，需為其提供充足的技術支撐，大幅提升煤礦機械的工作效率，最大發揮設備的利用價值，延長設備的使用壽命。此外，當前煤礦生產中的設備控制是以微電子技術為核心的，這種現代化的控制系統運行效率較高，在煤礦生產實時監控、機械故障診斷、分析與警報等多個方面均具有較大應用價值。

3 機電一體化數控技術在煤礦機械中的應用

3.1 在機械綜合協調中的應用

因煤礦開采環境復雜，設備運行難度較高，開采時需要多種設備綜合運行完成牽引與挖掘的工作，在其過程中會產生較大能耗。采用繼電一體化數控技術在減少能耗的同時可以提升能源的利用率。例如，在牽引過程中，傳統煤礦生產是采用液壓牽引方式，而現代化數控技術應用中變更為電力牽引，這種牽引方式大力提升了機械使用的效率，而運行調控的靈活性更強。

3.2 在技術設備運行中的應用

這里以采煤機為例進行分析。采煤機是煤礦機電一體化數字技術中最為常見的設備，與傳統采煤設備相較，機電一體化采煤機的優勢體現在：①機電一體化采煤機的牽引性更佳，在設備運行過程中可提供較大的牽引力，與設備運行阻力相互抵消，保證牽引順利，在采煤機下滑過程中也可以發電制動，經機械電力輸送至電網中；②支持大斜度作業，若傾斜度較大，則機械運行過程中易出現下滑，采用新型采煤機，制動力為標準電動機的1.5～2倍，在傾斜度為40°的情況下無需設置防滑設施[2]；③機電一體化采煤機運行更加穩定與安全，對于后期的維護要求較低，長期使用后磨損嚴重的多為電刷或整流設備，其他零部件損壞較少，也不會影響機電系統的整體運行；④機械控制度更高，對于系統運行故障的反應及處理速度較快，充分發揮了設備的動態優勢，可有效避免采煤機過載問題的出現；⑤系統整體設計較為簡單，工作效果良好，傳動裝置上傳統機組的轉換效率為70%，而機電一體化采煤機的能量轉換效率為99%。

3.3 在安全生產監控檢測中的應用

當前煤礦企業多應用第三代生產監控系統，為時分制主從式煤礦監控系統。系統中地面監控中心中設置的監控設備多采用RS232或者是局域網形式與局域網或瀏覽器相連接實現信息互動。礦井監控分站、子系統和地面監控中心基于主從形式保證各子系統信息傳送及時。系統中多機通信方式中只設置有1個主機，其他均為從機，但是系統運行效率會受機組整體運營規模的影響。隨著科學技術的不斷進步，煤礦生產范圍擴大，開采深度提高，安全監控難度增加。由此，第三代生產監控系統的弊端日益凸顯。

當前，國家安全生產監督管理局發布了《煤礦安全監控系統通用技術要求（AQ6201）》，對于新市場環境下的煤礦安全生產監控提出了新的要求[3]，詳細如下：系統架構應當層次分明，合理劃分功能模塊；及時更新系統軟件，保證信息處理能力良好；和Internet/Intranet平臺無縫連接，建立統一的信息網絡，及時發布煤礦安全生產監控信息，煤礦企業可及時查詢和下載。與此同時，隨著現場總線技術和網絡信息技術的日益完善，煤礦安全監控系統采用了高速工業以太環網和現場總線技術相結合的方式，建立了如圖1所示的監控網絡方案。

4 實例分析

某煤礦企業下山的煤層傾角日益增大，傳統采煤機以及安全監控系統已經無法滿足當前的生產及管理要求。2010年該企業采購了MG-160/380-W型采煤機，與液壓牽引相較而言，其優勢體現在：①牽引優勢突出；②可用于大傾角煤層；③運行可控性與可靠性俱佳；④反應靈敏、動態特性好；⑤結構簡單、效率高。該企業在2014年因認識到原有生產機電設備存在缺陷，聯合高校和科研機構對現有系統進行了改造。該企業建立了15#厚煤層全自動化開采生產系統，月生產量達100598t，綜采也順利通過了4.2m、6.5m。下面對該企業2014年的設備改造內容及改造后機電一體化的運行效果進行論述：

4.1 風機變頻改造

該企業采用風機變頻改造主要表現在用變頻器直接控制風機。通過設置于變頻器內部的PID軟件，對電動機的運行速度和風量進行控制。同時，實現了閉環恒壓及恒流量的控制效果，優化了現有機電系統的節能效果。

由上述公式可知風機流量和轉速一次方為正比例關系，壓力與轉速的二次方為正比例關系，軸功率與轉速的三次方為正比例關系。由此可知最佳運行情況下功率和轉速的關系如表1所示。

由表1可知，當流量下降時，為實現節能目標，可調節轉速。

該企業對機電系統中的風機進行變頻改造后，運行質量和節能效果大幅提升，從數控層面來說，其變頻改造后的運行優勢具體體現在：①調控電位器旋鈕可調控風量；②不對現有的配電與運行環境造成不利影響；③減少噪音；④具有過載、欠壓、過壓、過流等保護功能；⑤真正實現了自動控制，聯合自控設備進行電氣連鎖與計算機控制。

4.2 安全監控改造

這里以該企業礦井提升機安全監控與評價為例進行分析，本次改造基于“人機操控界面”思想，加強了人機操控界面的功能。

根據人機一體化數控技術構建了操作系統安全評估體系，確定了具體的評價指標和評價比重，如表2所示。

如表2，目標層、評價指標層、單項評價指標分別為頂層評價指標、中層評價指標和各環節細化后的底層評價指標。

依據表1建立三層級指標評價體系，這里假設煤礦下井開采采用的人機操控界面評價指標為Nij，為物元矩陣，即R=（Nij，Xs，f（Xs））。

式中，Xs——評價指標Nij的S項底層評價指標，即X1，X2，X3，…，Xs，與表1中各項指標要素Nij相互對應。由此得出f（X1），f（X2），f（X3），…f（Xs）各底層單項評價指標對應的量值。然后，經過測算得出的指標量構成了一個復合元矩陣，為R′，可表示為：

通過指標量處理后，依據對各目標指標評價得出安全監控評估結果。以百分制為例，就人機一體化機械操作界面進行安全評價，量化處理后得到的數值接近100，由此表明該機械設備操作界面和內部元件的設計符合標準和設計要求。實踐證明，該界面的應用有效降低了人為失誤引發的機械故障和人員傷亡。

5 結束語

綜上所述，煤礦機械是保證煤礦企業生產正常運行、維護作業人員人身安全的關鍵所在，其運行性能的高低與煤礦企業的生產效率直接掛鉤。為此，煤礦企業需增加煤礦機一體化數控技術的經濟投入，積極更新，大力推廣，突破傳統生產及監管模式的限制，實現煤礦企業的現代化發展轉型。

參考文獻

[1]閆小飛，呂燕飛，彭 芳.試論我國煤礦機電一體化技術的應用現狀和展望[J].科技風，2015，08（2）：140.

[2]程和花.淺談煤礦機電一體化產品在煤炭生產中的應用[J].科技創業家，2012，13（15）：326.

[3]朱明輝.煤礦機電一體化技術創新與應用探討[J].科技創新與應用，2014，08（26）：96.

收稿日期：2018-5-29

作者簡介：蘇 驥（1970-），男，工程師，大專，主要從事市場營銷工作。