進口采煤機電氣控制系統國產化改造研究與實踐

蘇良碧，劉超華，李卓明

（中煤平朔發展集團有限公司井工設備維修中心，山西朔州 036002）

0 引言

通過對舊式進口采煤機進行國產化和智能化改造，可以有效解決以上難題。改造方案包括，對采煤機電氣系統的關鍵部件、控制系統、通信與數據分析、控制算法、人機交互及安全性能等方面的升級優化。通過引進先進的設計理念和制造工藝，可以提高舊式進口采煤機的整體性能，降低生產成本并提高礦產回收率。此外，智能化改造將有助于提高采煤機的自動化程度和作業精度。通過采用人工智能技術、大數據分析和先進的傳感器技術，實現采煤機的實時監控、遠程操作和智能調度，進而降低人工成本、提高作業安全性和環保性能。

1 采煤機電氣系統改造方案

1.1 整體設計方案

在采煤機電氣控制系統中，機身外部操作按鈕負責采煤機送電、啟動與停機，專用遙控器負責參數設置、牽引調速、截割割煤、搖臂升降等功能，監測計算機負責監測采煤機運行狀態和故障信息。此外，控制系統還應具備自動定位、狀態監測、自主割煤、無線通信、記憶截割等主要自動化控制功能，從而能夠實現對采煤機的自動化與智能化控制。電機溫度、搖臂傾角、油溫油位等信號通過傳感器傳輸到數據采集模塊當中，各個模塊通過CAN 總線將運行數據和采集數據傳遞到主控模塊，再通過機載專用數據傳輸電纜將數據傳輸到采煤機集控中心，此時視頻監控系統、記憶割煤系統便能配合數據完成對采煤機的自動化與智能化控制[2]。

1.2 電氣控制系統設計

1.2.1 系統硬件設計

隨著采煤機在煤礦生產中的廣泛應用，其所面臨的工作環境和工作要求也越來越高，同時安全性也成為電控系統設計的重要考慮因素。因此需要對采煤機電控系統的硬件進行升級改造，以滿足更高的工作要求和更嚴格的安全標準。

電控系統硬件的升級改造包括多個方面，主要分為主控制器、智能互感單元、溫度檢測單元、智能傳感器模塊單元、智能遙控接收器、電源模塊單元等。

（1）主控制器。主控制器實現對電氣系統所有單元及模塊的監控功能，使用標準工業通信協議與采煤機其他電氣單元與輸入輸出模塊進行通信，通信協議包括CAN、RS-485、RS-232 等。

（2）智能接觸器單元，其主要功能除了控制電機的啟停外，還具有測量油泵電機電流、截割電機電流、牽引變壓器電流的功能，采煤機集控中心在接收到這些數據之后，便能夠完成對電機、變壓器的短路、超溫、過載保護。

1．2．2 青少年心理韌性量表 該量表由胡月琴等［7］共同編制而成，共27個項目，包括個人力和支持力兩個因素，其中前者包含目標專注、情緒控制和積極認知3個因子，后者包含家庭支持和人際協助2個因子，各因子相關系數在0．12～0．56之間，量表內部一致性信度為0．83。個人力得分為目標專注、情緒控制和積極認知3個因子得分相加；支持力得分為家庭支持和人際協助2個因子得分相加。該量表采用5點評分法，1級（完全不符合）、2級（比較不符合）、3級（說不清）、4級（比較符合）、5級（完全符合），各因子得分越高，表明其心理韌性水平越高，抗擊挫折的能力越強。

（3）溫度檢測單元的主要功能是測量油泵電機溫度、牽引電機溫度、截割電機溫度、牽引變壓器溫度、電控箱腔體溫度、油箱溫度，采煤機集控中心在接收到數據之后，便能夠顯示電機和變壓器的溫度，并且完成相應保護。

（4）智能傳感器模塊單元，其主要功能是測量采煤機機身傾角傳感器、搖臂傾角傳感器、油壓傳感器、油位傳感器、齒輪傳感器、水流量傳感器、位置傳感器的模擬量和開關量，采煤機集控中心在接收到數據之后便能實現對智能傳感器連接設備的保護。

（5）智能遙控接收器，其主要功能是無線遙控采煤機完成升降采煤機滾筒、啟動和關閉油泵電機、設置采煤機運行參數等操作。

（6）電源模塊單元。電源模塊設計是電控系統改造的重要方面。采煤機的工作環境非常復雜，電源的穩定性和可靠性直接關系到采煤機的正常工作。因此，需要采用高效、穩定、可靠的電源模塊設計方案，以確保電控系統的穩定供電和高效工作（圖1）。

圖1 采煤機電氣系統結構

改造采用新型電子元器件，在性能、可靠性、壽命等方面有了顯著提升，可以滿足更高的工作要求和更嚴格的安全標準。例如，針對高溫、高濕等極端工作環境，采用耐高溫、耐腐蝕等特殊材料制造的元器件，可以有效提高采煤機電控系統的可靠性。

此外，電路板設計也是電控系統硬件改造的重要環節之一。電路板的設計直接影響到采煤機電控系統的穩定性和性能，因此需要采用先進的電路板設計技術和工藝，提高電路板的可靠性和抗干擾能力。

1.2.2 系統軟件設計

隨著信息技術的不斷發展和應用，電控系統軟件設計與開發成為了提高采煤機生產效率和安全性的關鍵因素。在電氣控制系統軟件設計與開發過程中，需要開發采煤機電控系統的控制程序和算法，以實現更高效、更準確的控制。為此，需要采用新型編程語言和開發工具，結合先進的算法和技術，可以利用人工智能和機器學習等技術，對采煤機進行狀態監測和預測，以提高采煤機的運行效率和安全性。通過采用先進的控制算法和技術，如自適應控制、模糊控制、PID 控制等，可以實現對采煤機運動軌跡的更加準確的控制，從而提高采煤效率。此外，還可以采用圖像處理技術，開發采煤機的智能化視覺系統，以實現對采煤機周圍環境的實時監測和識別。這有助于提高采煤機的安全性和作業效率，降低事故風險。

1.2.3 電氣系統設計

改造過程中，應遵循在不改變原有電控箱尺寸的情況下，對元器件的布局、電氣系統做合適調整的原則。調整部分主要包括：順槽控制臺、器件布局、通信拓撲、電氣線路、漏電故障監測、遙控接收電路、采煤機保護電路、液壓控制回路、傳感器檢測回路、語音預警系統等。

改造后的采煤機電氣控制系統不僅在防爆、防塵和防水性能應得到強化，也應提高設備在礦井內的安全性能，引入自動緊急停止功能，采煤機電氣控制系統自動判斷井下工作狀況，確保操作員和設備在突發狀況下的安全，同時還配置瓦斯檢測和消防設備，提高采煤機在復雜環境下的自保能力。

2 采煤機控制系統智能化

智能化控制是采煤機電控系統國產化改造項目中的一個重要方向，采用人工智能技術可以實現采煤機的自動控制和自適應調節，從而減少人工干預，提高生產效率和產品質量。采煤機主要的智能化控制系統有機載自動控制技術、采煤機組遠程集控技術和記憶截割技術，其中：機載自動控制技術將研發和應用先進的傳感器和控制器，通過采用人工智能技術，實現采煤機的自適應調整和優化截割參數，根據實時數據和環境條件，自動調整采煤機的工作狀態和控制策略，提高截割效率和設備壽命[3]；采煤機組遠程集控技術將構建遠程集控系統，實現對采煤機、液壓支架和刮板輸送機等設備的實時監控和調度，提高生產效率和管理水平（圖2）；記憶截割技術將開發采煤機的記憶截割系統，使其能夠自動識別煤層輪廓，根據預設的截割路徑進行精確截割，降低人工誤差和非生產性時間。通過實施這些智能化控制系統升級，進一步提高采煤機的生產效率、安全性和自動化水平[4]。

圖2 采煤機智能化自適應控制系統結構

2.1 機載自動控制技術

機載自動控制技術能夠提高采煤機的效率和安全性，是智能自適應控制的關鍵一環。它通過集成傳感器、控制器和執行器，實現對采煤機的實時監控和調控。其中，傳感器負責采集各種工作參數，如速度、力量和溫度等；控制器基于預設的算法分析這些參數，并根據需要生成相應的控制信號；執行器則根據控制信號調整采煤機的運行狀態。通過機載自動控制技術，采煤機可以自動調整截割速度和進給速度，適應不同煤層的條件。此外，智能化自適應控制系統還能自動識別異常情況并采取相應措施，如降低速度或停止運行，以保護設備和人員安全。采用機載自動控制技術升級采煤機，可以降低人工成本、提高生產效率，同時確保操作安全。

2.2 機組遠程集控技術

采煤機組遠程集控技術通過先進的通信和網絡技術，實現對三機（采煤機、刮板運輸機、液壓支架）的集中監控和協同控制。集控中心通過實時接收來自采煤機的各類工作參數，如截割速度、進給速度、設備溫度等，并對這些數據進行實時分析，根據預設的標準和規則生成相應的控制命令。此外，采煤機組遠程集控技術還能實時監控設備的運行狀態、自動識別異常情況，并采取相應的措施，如降低速度、停止運行或發送報警信號，這有助于確保設備和人員的安全，減少事故發生的風險。通過采煤機組遠程集控技術，可以優化資源分配，提高設備利用率，降低人工成本和維護成本，從而在巷道監控中心和地面監控室就能隨時了解采煤機的整機實時運行狀態。

2.3 記憶截割技術

在頂底板變化不明顯的煤層中，記憶截割法的使用效果較好，但是仍然需要由專門人員進行操作指引，需要智能學習后方可進行自動割煤。采煤機組記憶割煤技術利用傳感器、控制器和執行器等組件，實時監測和自動調整采煤機的工作參數，通過切割過程中的關鍵參數如切割深度、速度和力度等，系統能自動學習最佳的工作模式，從而為后續操作提供智能參考。采用記憶割煤技術能顯著提高采煤機的切割效率和煤炭產量，減少煤炭損失和能耗，同時降低對操作人員經驗的依賴，減小工作強度、提高工作安全性。另外，該技術可有效降低設備故障率，延長設備使用壽命，降低維修成本[5]。

3 結論

中煤平朔集團已完成所有艾柯夫SL750 型采煤機電氣系統的國產化改造，取得了較好的應用效果，對久益LW 系列采煤機的電氣系統國產化改造也將隨之開展。綜上所述，對舊式進口采煤機電氣系統進行國產化智能化改造，具有以下5 個優勢：

（1）國產化方面，采用自主創新的硬件和軟件設計技術，實現采煤機電控系統的國產化和自主化，降低了系統的成本和依賴性。

（2）智能化控制方面，采用基于人工智能和機器學習的自適應控制算法和技術，實現采煤機的自動化和智能化控制，提高了采煤機的生產效率和安全性。

（3）通信技術方面，采用更快速、更可靠的通信技術，實現采煤機與地面的數據傳輸和控制，從而提高采煤機的響應速度和安全性。

（4）信息化管理方面，采用先進的數據采集、處理和分析技術，實現對采煤機運行狀態的實時監測和管理，從而提高采煤機的管理效率和可靠性。

（5）安全監測和預警方面，采用先進的傳感器技術和數據分析技術，實現對采煤機運行過程中的安全風險進行實時識別和預警，從而保障工人的生命安全。