数控系统在矿井开采工程中的应用及改进方式

张 莉

（江苏安全技术职业学院，江苏 徐州 221011）

数控系统是尖端工业和高新技术产业的核心使用技术，同时也是先进制造技术的重要研究内容，该技术集合了自动化控制、计算机、智能检测、信息技术、电气传动等多种现代化技术，它的出现为传统制造业和生产行业带来了革命性的影响，对国家工业化、城市化以及现代化的发展进程具有重要的推动作用，由于它在技术领域的重要地位，也成为了研究领域一个热门研究课题，许多欧美国家也都开展了针对数控系统的研究工作，这样推动了数控技术的不断发展。在国家标准《机械电气设备-数控系统》中，将数控系统定义为：“数控系统软件和硬件需要具备可移动性、互操作性和一致性”，其中可移动性是指数控系统中的功能模块可以随意的从一个系统运行环境中移动到另一个系统运行环境中，即数控系统可以在多个操作平台上运行；互操作性是指数控系统的功能模块之间可以进行信息共享，功能模块具有良好的协调工作能力；一致性是指数控系统所有数据格式、控制机制以及设备接口都是一致的，操作起来简单方便。从上可以看出，数控系统具有灵活性高、功能性强等优点，正是因为它具有众多优点，已经被广泛应用到各个领域中，尤其是在矿井开采领域中，该技术的应用对提高矿井开采效率和质量具有重要作用，但是随着电子技术和控制技术的不断发展，对数控系统提出了更高的技术要求，传统数控技术必须进行改进和创新，为此提出数控系统在矿井开采工程中的应用及改进方式研究。

1 数控系统在矿井开采工程中的应用

数控系统具有自动适应控制和工艺参数自动控制生成功能，所以数控系统在矿井采矿工程中的应用主要是在矿井机械设备运行参数控制方面，通过数控系统的应用使矿井机械设备能够稳定运行，运行参数能够始终满足开采工程施工需求，能够有效提升工程施工效率。矿井开采过程中需要使用多种机械设备，工程施工规模不同，使用的机械设备数量和型号也有所不同，并且应用的数控系统也有所不同，应用到的数控系统主要有人工智能网络控制系统、智能化网络控制系统等[1]。而数控系统的应用主要是对矿井机械设备中的开采设备运行参数进行控制，无论使用哪种数控系统，其首先都是在进行控制前先将各个设备标准运行参数数据输入数控到系统数据库中，然后利用软件技术和硬件技术对矿井机械设备运行参数进行采集，主要是无线传感技术，通过传感器对设备运行参数实时采集，各个设备需要采集到的运行参数数据是不同的，下表为各个矿井机械设备运行参数详情表。

表1 数控系统采集矿井机械设备运行参数详情表

将采集到的数据参数输入到数控系统中，完成控制参数采样输入后，在对矿井机械设备进行控制时，需要对数控系统的输入和输出通道进行分配，表2为输入/输出分配表。

表2 输入/输出分配表

系统将输入的数据与之前设定的参数范围进行对比，分析出矿井机械设备运行状态，一旦系统检测到设备运行参数不符合设定条件，数控系统将对自动对其进行修改，保证矿井机械设备始终能够正常稳定运行，下图为数控系统控制矿井机电设备运行参数示意图。

图1 数控系统控制矿井机电设备运行参数示意图

数控系统的作用主要是对矿井机械设备运行状态进行实时检测和控制，使机械设备在施工过程中能够正常运行，避免出现停止运行现行[2]。还可以根据工程量通过数控系统对机械设备运行效率进行控制和调节，从而达到矿井开采工程理想的工程施工效果。

装备特点井下开采的发展方向是实现矿井高产高效集中化生产。而实现矿井高产高效的前提是提高综采工作面的单产，实现工作面高产高效，达到一矿一面或一矿二面的高度集中化生产。实现综采工作面高产高效应以提高综采工作面的开采强度和采矿机的有效开机率为目标，其技术途径有提高综采工作面配套设备的小时生产能力。增加工作面的出矿点，提高综采设备及矿井生产系统的可靠性，减少工作面辅助工序的影响时间。从而实现综采工作面的高产高效主要有单一长壁综采工作面的高产高效和实现综采放顶煤工作面的高产高效。

2 电气自动化在机械设备中的应用

矿井开采机械从中厚矿层起步，发展到薄矿层、大功率、大采高强力滚筒采矿机。电气自动化的应用使采矿的过程更加人性化，综采工作面装备远程监控及专家诊断系统的可靠性是国产采矿机研究的主要内容。该系统能够实现综采装备液压支架和采矿机的远程监控，使采矿机根据井下矿层的变化实现自动割矿、矿层的软硬自动调节采矿速度，检验并完善动态监测综采支架液压系统压力和各受力点的状态，自动调节支架推移输送机的拉移等。近期进行项目的调研、选型工作，与科研单位合作在东庞矿实施，重点解决采煤机的工矿在线检测、故障诊断及预报、显示与传输系统、采矿机自动运行控制系统等问题，使综合机械化水平上一个新的台阶。

3 数控系统对矿井开采工程的改进方法

以往矿井开采工程无法对矿井机械设备能源消耗方面进行有效控制，矿井开采工程在施工过程中需要使用众多机械设备，并且施工周期比较长，整个工程需要消耗大量的能量，此次利用数控系统对矿井采矿工程进行改进，使其不仅可以通过矿井机械设备控制达到稳定运行的目的，还能够减少矿井机械设备的无功损耗。此次对矿井开采工程开采的改进主要是在数控系统中设定矿井机械设备电路参数变量以及目标函数，通过设定的目标函数对机械设备运行过程中电路参数进行实时优化和控制。

本文在确定电路参数优化目标函数时，优化目标不仅要考虑到矿井采矿工程实际的开采需要，同时还要考虑到矿井机械设备的高效节能，将提高矿井机械设备的生产效率和降低能源消耗作为数控系统改进目标[3]。数控机床的电路参数是指在矿井机械设备在运行过程中各个开采环节所需要使用的电能，因此可以通过增加单位时间内开采速度，可以在一定程度上直接提升矿井机械设备的生产效率，这样可以缩短矿井采矿工程施工时间，是矿井机械设备在运行过程中能源得到充分的利用，从而进一步使矿井机械设备的能耗得到优化，其目标函数具体可表示为：

公式（1）中，M 表示矿井机械设备电源参数改进目标函数；l 表示矿井机械设备主轴运转速度；d为矿井机械设备每个齿轮的进给量；c表示矿井机械设备每个齿轮的转速；w表示垂直于进给速度方向的最大产出量；表示矿井机械设备最小额定功率。矿井机械设备在运行过程消耗的能源主要包括来自传动装置自身的空载能源消耗、进给装置自身的空载能源消耗、相关辅助装置自身的能源消耗。因此将上述目标函数编入到数控系统中，由数控系统利用该目标函数，通过对其进行求解，进而实现对矿井机械设备运行能源消耗进行有效控制。

传统目标求解的方法是通过对各个子目标进行权重系数的赋值，通过各个线性关系的加权和的方式，将其转换为一个个单独的单目标优化求解，而单目标的权重系数是通过决策者决定的。这种求解算法会存在一定的局限性，通过决策者确定的权重系数会造成十分刻意的主观性，并且每一个子目标优化结果计算都只能得到唯一的解，同时非劣解前端较为敏感，导致求解结果存在较大的误差，影响数控系统对矿井开采工程改进效果。针对上述问题，本文提出一种新求解方法：首先利用分级非支配的快速排序方法的优势，最大程度上降低优化函数求解过程的复杂程度；其次，利用比较两种不同子目标的拥挤度，克服数控系统传统计算方法中需要提前进行数据共享的问题，更好的保护了多种不同子目标的多样性；最后进入精英策略理论，通过不断地迭代最终提高该算法的寻优性能，并且保证在寻优过程中优秀的子目标不被丢失，具体求解过程如下图所示。

图2 数控系统改进后目标函数求解过程

数控系统利用目标函数对矿井机械设备电源参数进行控制，使矿井机械设备能耗达到最低，且开采效率达到最高，以此完成数控系统在矿井开采工程中的应用及改进方式研究。

4 结束语

本文对数控系统在矿井开采工程中的应用及改进方法进行了研究，为矿井开采工程中数控系统性能优化和创新提供了理论依据，为数控系统在矿井开采工程中的应用具有重要的推广作用。此次研究内容仅涉及了对数控系统在矿井工程开采中机械设备运行参数控制方面的应用，研究内容具有一定的局限性，今后会对数控系统在矿井开采工程中运输方面应用进行深一步研究和探讨。