煤矿机械中机电一体化数控技术的思考

苏骥

摘 要：随着社会经济的快速发展，经济发展与人们的生活对于煤炭资源需求量日益增长，为此，我国广泛开展煤炭资源开采工作。为保证煤炭生产质量与效率，需对现有设备进行改造升级，建立高效的生产线，保证经济效益。本文以煤炭生产中的机电一体化数控技术应用为例进行分析，首先阐述了机电一体化数控技术概念，其次总结了常见的一体化数控技术类型及对煤矿生产的影响，然后结合实例对此类技术的具体应用进行论述，以供类似工程建设与优化提供参考。

关键词：煤炭开采；机电一体化；安全监控

中图分类号：TD67 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）20-0234-02

引 言

煤矿产业的产量与作业效率对于国民经济发展有着直接影响，若在煤矿生产中投入机电一体化数控技术，则可以减少人工劳动量，提升煤矿产业效率，煤矿的开采质量也回得到提升。当前，我国煤矿开发中已经大量投入了机电一体化数控技术，在为煤矿开采质量提升奠定基础的同时，在机械维护、安装与使用等多个方面也起到了积极作用[1]。

2 机电一体化數控技术概述

当前，煤矿开采中机电一体化数控技术的应用十分广泛，影响较大。机电一体化数控技术为电子技术、液压技术和机械技术的综合体，在煤矿机械操作过程中，为保证设备性能正常，需合理设置设备运行参数，实现设备安全、稳定运行。同时，为保证实际生产中，机械安装与拆卸安全便捷，需为其提供充足的技术支撑，大幅提升煤矿机械的工作效率，最大发挥设备的利用价值，延长设备的使用寿命。此外，当前煤矿生产中的设备控制是以微电子技术为核心的，这种现代化的控制系统运行效率较高，在煤矿生产实时监控、机械故障诊断、分析与警报等多个方面均具有较大应用价值。

3 机电一体化数控技术在煤矿机械中的应用

3.1 在机械综合协调中的应用

因煤矿开采环境复杂，设备运行难度较高，开采时需要多种设备综合运行完成牵引与挖掘的工作，在其过程中会产生较大能耗。采用继电一体化数控技术在减少能耗的同时可以提升能源的利用率。例如，在牵引过程中，传统煤矿生产是采用液压牵引方式，而现代化数控技术应用中变更为电力牵引，这种牵引方式大力提升了机械使用的效率，而运行调控的灵活性更强。

3.2 在技术设备运行中的应用

这里以采煤机为例进行分析。采煤机是煤矿机电一体化数字技术中最为常见的设备，与传统采煤设备相较，机电一体化采煤机的优势体现在：①机电一体化采煤机的牵引性更佳，在设备运行过程中可提供较大的牵引力，与设备运行阻力相互抵消，保证牵引顺利，在采煤机下滑过程中也可以发电制动，经机械电力输送至电网中；②支持大斜度作业，若倾斜度较大，则机械运行过程中易出现下滑，采用新型采煤机，制动力为标准电动机的1.5～2倍，在倾斜度为40°的情况下无需设置防滑设施[2]；③机电一体化采煤机运行更加稳定与安全，对于后期的维护要求较低，长期使用后磨损严重的多为电刷或整流设备，其他零部件损坏较少，也不会影响机电系统的整体运行；④机械控制度更高，对于系统运行故障的反应及处理速度较快，充分发挥了设备的动态优势，可有效避免采煤机过载问题的出现；⑤系统整体设计较为简单，工作效果良好，传动装置上传统机组的转换效率为70%，而机电一体化采煤机的能量转换效率为99%。

3.3 在安全生产监控检测中的应用

当前煤矿企业多应用第三代生产监控系统，为时分制主从式煤矿监控系统。系统中地面监控中心中设置的监控设备多采用RS232或者是局域网形式与局域网或浏览器相连接实现信息互动。矿井监控分站、子系统和地面监控中心基于主从形式保证各子系统信息传送及时。系统中多机通信方式中只设置有1个主机，其他均为从机，但是系统运行效率会受机组整体运营规模的影响。随着科学技术的不断进步，煤矿生产范围扩大，开采深度提高，安全监控难度增加。由此，第三代生产监控系统的弊端日益凸显。

当前，国家安全生产监督管理局发布了《煤矿安全监控系统通用技术要求（AQ6201）》，对于新市场环境下的煤矿安全生产监控提出了新的要求[3]，详细如下：系统架构应当层次分明，合理划分功能模块；及时更新系统软件，保证信息处理能力良好；和Internet/Intranet平台无缝连接，建立统一的信息网络，及时发布煤矿安全生产监控信息，煤矿企业可及时查询和下载。与此同时，随着现场总线技术和网络信息技术的日益完善，煤矿安全监控系统采用了高速工业以太环网和现场总线技术相结合的方式，建立了如图1所示的监控网络方案。

4 实例分析

某煤矿企业下山的煤层倾角日益增大，传统采煤机以及安全监控系统已经无法满足当前的生产及管理要求。2010年该企业采购了MG-160/380-W型采煤机，与液压牵引相较而言，其优势体现在：①牵引优势突出；②可用于大倾角煤层；③运行可控性与可靠性俱佳；④反应灵敏、动态特性好；⑤结构简单、效率高。该企业在2014年因认识到原有生产机电设备存在缺陷，联合高校和科研机构对现有系统进行了改造。该企业建立了15#厚煤层全自动化开采生产系统，月生产量达100598t，综采也顺利通过了4.2m、6.5m。下面对该企业2014年的设备改造内容及改造后机电一体化的运行效果进行论述：

4.1 风机变频改造

该企业采用风机变频改造主要表现在用变频器直接控制风机。通过设置于变频器内部的PID软件，对电动机的运行速度和风量进行控制。同时，实现了闭环恒压及恒流量的控制效果，优化了现有机电系统的节能效果。

由上述公式可知风机流量和转速一次方为正比例关系，压力与转速的二次方为正比例关系，轴功率与转速的三次方为正比例关系。由此可知最佳运行情况下功率和转速的关系如表1所示。

由表1可知，当流量下降时，为实现节能目标，可调节转速。

该企业对机电系统中的风机进行变频改造后，运行质量和节能效果大幅提升，从数控层面来说，其变频改造后的运行优势具体体现在：①调控电位器旋钮可调控风量；②不对现有的配电与运行环境造成不利影响；③减少噪音；④具有过载、欠压、过压、过流等保护功能；⑤真正实现了自动控制，联合自控设备进行电气连锁与计算机控制。

4.2 安全监控改造

这里以该企业矿井提升机安全监控与评价为例进行分析，本次改造基于“人机操控界面”思想，加強了人机操控界面的功能。

根据人机一体化数控技术构建了操作系统安全评估体系，确定了具体的评价指标和评价比重，如表2所示。

如表2，目标层、评价指标层、单项评价指标分别为顶层评价指标、中层评价指标和各环节细化后的底层评价指标。

依据表1建立三层级指标评价体系，这里假设煤矿下井开采采用的人机操控界面评价指标为Nij，为物元矩阵，即R=（Nij，Xs，f（Xs））。

式中，Xs——评价指标Nij的S项底层评价指标，即X1，X2，X3，…，Xs，与表1中各项指标要素Nij相互对应。由此得出f（X1），f（X2），f（X3），…f（Xs）各底层单项评价指标对应的量值。然后，经过测算得出的指标量构成了一个复合元矩阵，为R′，可表示为：

通过指标量处理后，依据对各目标指标评价得出安全监控评估结果。以百分制为例，就人机一体化机械操作界面进行安全评价，量化处理后得到的数值接近100，由此表明该机械设备操作界面和内部元件的设计符合标准和设计要求。实践证明，该界面的应用有效降低了人为失误引发的机械故障和人员伤亡。

5 结束语

综上所述，煤矿机械是保证煤矿企业生产正常运行、维护作业人员人身安全的关键所在，其运行性能的高低与煤矿企业的生产效率直接挂钩。为此，煤矿企业需增加煤矿机一体化数控技术的经济投入，积极更新，大力推广，突破传统生产及监管模式的限制，实现煤矿企业的现代化发展转型。

参考文献

[1]闫小飞，吕燕飞，彭 芳.试论我国煤矿机电一体化技术的应用现状和展望[J].科技风，2015，08（2）：140.

[2]程和花.浅谈煤矿机电一体化产品在煤炭生产中的应用[J].科技创业家，2012，13（15）：326.

[3]朱明辉.煤矿机电一体化技术创新与应用探讨[J].科技创新与应用，2014，08（26）：96.

收稿日期：2018-5-29

作者简介：苏 骥（1970-），男，工程师，大专，主要从事市场营销工作。