机电一体化技术在地下开采矿山的应用

2012-01-26韩国宝

中国锰业 2012年4期

韩国宝

(广西锡山矿业有限公司，广西南宁 530022)

机电一体化(Mechatronics)是集机械、电子、计算机和信息技术等多种技术有机结合的一门交叉综合技术。机电一体化是从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术及软件编程技术等群体技术。根据系统功能目标和优化组织目标，合理配置布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定的功能价值，使整个系统达到最优化的一种系统工程技术。他并不是单纯地利用电子技术来简化或代替机械，更重要的是将机械系统、微电子技术、计算机技术、信息技术组合成了最佳系统。

1 重要意义

机电一体化设备的使用大大改善了矿工的劳动强度，增加了工作环境的安全系数，同时在节能降耗、保障安全生产方面起到了很好的作用。机电一体化设备具有智能化、程序化、信息化、集成化的特点。主要表现为设备体积小，操作、维护方便，保护设施齐全，性能可靠等优点。通过自动检测及反馈系统，能对所反馈的信息对设备进行自动调节和控制，在无人值守的情况下，确保了设备的安全运行。未来的机电一体化设备将做到更加人性化的设计，在功能上进一步完善，在精度上进一步提高，同时加大开发微处理器、计算机和信息技术、通信技术等专业技术，使机电一体化技术在矿山设备中得到广泛应用，促进矿山企业快速发展，为地方经济的快速发展起到积极的推动作用。

近年来，随着矿山机械化进程的逐步加快，在机电一体化技术的研究和应用上也取得了重大突破，特别是在地下矿山开采的安全避险“6大系统”(即压风自救系统、井下通讯联络系统、监测监控系统、井下人员定位系统、供水施救系统、紧急避险系统)。以及大型设备的综合后备保护及自动化控制方面都取得了重大进展。矿山机电一体化技术是矿山综合自动化的基础，机电一体化设备的应用大大提升了矿山生产的综合实力，为实现高效、安全、洁净、结构优化的矿山企业奠定了坚实的基础，也为矿山企业带来了经济效益和社会效益的双丰收[1]。

2 主要应用

随着矿山企业井下战线的延长及采区面积的增大，以前老矿山存在的人员多、效率低、单位生产能耗高的现象已无法适应现代矿山企业的需要。要想生存和发展，必须淘汰落后产能，改造落后的高耗能设备，实现产业的转型升级，这也是现代矿山企业生存和发展的需要。

1)在无人值守智能泵站的应用

矿山的排水系统是矿山建设和生产中不可缺少的一部分，它对保证矿井正常生产起着非常重要的作用，而中央泵房作为矿山排水系统的核心部分，将担负着井下主要的排水任务。保障排水设备的安全稳定可靠的运行，及时发现设备运行过程中的异常对保障整个矿山的安全生产显得非常关键。

目前很多矿山采用的无人值守智能控制排水系统是在原有设施的基础上进行自动化改造，以使设备在无人干涉的情况下能自动运行和自我诊断的一套控制系统，整个系统由数据采集与检测、现场监测与控制、远端监控指挥3个部分组成。该系统通过对所携带的压力传感器、转速传感器、温度传感器等各种传感器传输回来的信号进行检测与反馈，由控制计算机对所反馈的信号进行分析后做出相应的指令对水泵进行控制。当水位上升时，DCS柜就会将水位传感器传出的信号转换为计算机可识别的数字信号传入控制计算机，经控制计算机进行判断后，由控制计算机发出指令操纵启动柜完成相应动作。在泵的运行过程中，电流互感器、温度传感器等设备将数据经DCS柜转换传给控制计算机，从而达到对水泵的运行工况进行全程监控。如发现水泵运行异常，控制计算机发出一系列指令使水泵停止运转，同时启动备用水泵，控制计算机记录下的各种数据可提供查询使用。该系统所使用的远端安全监控系统不仅提供了前端作业区实时视频浏览，而且可实现门禁及动力环境设备实时报警，在第1时间将报警信息及现场采集的影像资料上传至中控室或网络管理中心，由中心进行远程指导或者远程操作排除险情，使事故得到及时处理，做到泵站在少人或无人值守的情况下能够正常运行，真正体现了泵站的现代化管理和智能化操作。

2)在提升机中的应用

矿物提升是矿山生产的咽喉，对设备的电气传动及机械性能要求都很高，矿井提升机是目前矿山机电一体化设备中自动化水平最高的设备。目前所使用的全数字化交直流提升机，从结构上将滚筒和驱动合为一体，机械结构大为简化，充分体现了机械—电力电子—计算机—自动控制的有机结合。采用PLC技术、变频技术等大大简化了电器设备的安装，使系统组合十分方便，增强了抗干扰能力，同时通过采用芯片统一控制和PLC外端电路相结合的控制方式，使PLC系统除能完成继电器系统具有的功能外，还能实现一些软件功能，提升了提升机的可靠性。该系统具有更完善的软硬件保护环节；实现了电动机的真正软启动；实现了无级平滑调速，可在静态或动态任意调整电动机转速；运行平稳，无转差冲击，大大减轻了机械冲击的强度，提升操作系统能够实现调绳、手动、半自动、全自动运行；除常规的保护外，还具有深度指示器断轴(断线)保护、减速点后备保护、错向保护、给定方向记忆保护、二级制动解除保护、减速段超速保护、自动换向等功能；系统能实现提升机运行全过程的自动监控，对提升机运行过程中的参数及可能危及提升机正常运行的设备进行监测，并具有故障显示、报警功能；维护工作量比原系统减少很多，耗电量也大大降低，节能效果非常显著。电控系统结构简单、应用灵活、编程方便、运行稳定可靠，大大提高了提升机的安全运行，减少维护工作量，缩短了提升时间，提高了生产效率。目前我国研制成功的拥有自主知识产权的数字化提升机，其核心部分采用了由双CPU构成的计算机系统，具有性能先进、操作简便、准确可靠的特点，提高了提升机的性能，实现了提升机的全自动化[2]。

3)在矿井通风机中的应用

矿井通风是地下矿山生产的主要用电设备之一，其节能运行在矿山节能降耗工作中占有重要的地位。地下矿山开采的特点是：巷道逐年加深，产量逐年增加，所需的通风量逐年上升。但矿井通风机在设计选型时，往往是按最大开采量时所需的风量为依据的，一般都留有余量，因此矿井在投产后几年甚至十几年内，矿井通风机都是处在低负载下运行。此外，由于矿山井下作业不均衡，不同时间所需要的风量也不同，以前的矿井在调节风量时，比较常见的做法是调节档板，这种办法虽然简单，但从节能的观点看，是很不经济的。为了达到节能降耗的目的，可将可编程控制器应用在主通风机的自动化变频系统上，该系统是以可编程序控制器作为控制核心，智能变频器作为执行核心的机电一体化成果。兖州矿业(集团)公司杨村煤矿将此项技术应用于南风井和北风井的主通风机自动化变频系统，通过改造后使主风机运行稳定可靠、调速平滑方便，而且实现了包括前导器和风门在内的全自动操作，在保证井下正常供风的情况下因矿井的风量需求减少而全年节约电费上百万元。

该设计为了确保通风机的运行安全，将主回路设计为2部分：低频部分由1台VF61-2004智能变频器和2台ABB型低频接触器组成，是通风机的主运行回路；工频部分由2台降压启动器组成，作为低频系统的后备回路，用于低频系统发生故障的时候降压启动并且全速运行通风机。

控制系统由5部分组成：SU-6B工业可编程序控制器完成系统的自动控制和智能保护、WD41系列风量传感器实现系统的风量闭环控制、风门绞车编码器实现风门的绞车精确行程控制、电流变送器实现通风机的过流保护、前导器电动执行机构由可编程序控制器来控制前导器的开启和并闭。

通风机的风门控制和风量闭环是程序设计的关键点。a在通风机运行过程中，如果风门的开、关过位，则有可能造成风门绞车断电或者对风门造成损坏；如果开、关不到位，则会引起漏风从而影响通风机的效率。因而，除了在系统的硬件设计中给予充分的重视之外(采用TRD1000型轴编码器)，软件的设计也作了周密的考虑。b风量闭环的质量直接影响到矿井的通风质量甚至通风安全，所以在软件设计中采用了PD调节的方式，以保证闭环的质量。

此项技术与以往的控制方式相比较，在可靠性及参数变更灵活性方面都具有很大的优越性，是目前矿山各种风量调节方法中最理想、最有效、最节能的调节方法，可以广泛应用于矿井主通风机的自动化改造[3]。

4)在空气压缩机控制系统中的应用

空气压缩机是矿山生产的4大固定设备之一，他生产压缩空气，用以带动风动凿岩机等设备以及其他风动工具，其能否安全运行直接影响矿山生产的产量和效益问题。随着矿山现代化的发展，对矿山设备的要求也越来越高，建设本质安全性矿山已成为矿山企业生产建设的核心。矿山设备不断更新，不断进步，对设备的可靠性、易操作性、可监视性、易维护性提出了更高的要求。过去由继电器搭成的控制器已不能适应当前的需求。随着电子技术、软件技术、控制技术飞速发展，可编程控制器(PLC)与由继电器搭成的控制器相比，因其高性能和良好的性价比受到了用户的青睐。目前很多矿山使用的螺杆式空气压缩机，都是采用PLC作为核心控制器，通过检测仪器为PLC提供控制中所需要的信号参数，从而对空压机进行自动巡回检测控制。进行监控的主要参数有空压机高低压缸温度、润滑油温度、电机温度、排气温度、排气压力等，实现了对设备运行的实时监控。同时系统内部的软逻辑功能，极大的简化了空压机控制回路外部接线，外部线路清晰明了。此外PLC支持在线编辑功能，方便现场实现调试，增加了故障指示功能和故障闭锁功能，便于空压机故障的查找和处理，极大地缩短了系统恢复时间，即使非电气专业人员也可以根据故障显示知道故障所在，及时检查和处理，从而极大地提高了系统的可靠性。系统程序设计中采用相互闭锁接点故障检测设计，避免主交流接触器、热继电器、水压仪表、油压仪表出现接点故障，在满足工艺要求的基础上程序设计语句实用、简练、功能清晰明了，提高了设备的自动化管理水平。