機(jī)電一體化技術(shù)在地下開采礦山的應(yīng)用

韓國寶

(廣西錫山礦業(yè)有限公司，廣西南寧 530022)

機(jī)電一體化(Mechatronics)是集機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)等多種技術(shù)有機(jī)結(jié)合的一門交叉綜合技術(shù)。機(jī)電一體化是從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，綜合運(yùn)用機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、傳感測控技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)、信息變換技術(shù)及軟件編程技術(shù)等群體技術(shù)。根據(jù)系統(tǒng)功能目標(biāo)和優(yōu)化組織目標(biāo)，合理配置布局各功能單元，在多功能、高質(zhì)量、高可靠性、低能耗的意義上實(shí)現(xiàn)特定的功能價值，使整個系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)化的一種系統(tǒng)工程技術(shù)。他并不是單純地利用電子技術(shù)來簡化或代替機(jī)械，更重要的是將機(jī)械系統(tǒng)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)組合成了最佳系統(tǒng)。

1 重要意義

機(jī)電一體化設(shè)備的使用大大改善了礦工的勞動強(qiáng)度，增加了工作環(huán)境的安全系數(shù)，同時在節(jié)能降耗、保障安全生產(chǎn)方面起到了很好的作用。機(jī)電一體化設(shè)備具有智能化、程序化、信息化、集成化的特點(diǎn)。主要表現(xiàn)為設(shè)備體積小，操作、維護(hù)方便，保護(hù)設(shè)施齊全，性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。通過自動檢測及反饋系統(tǒng)，能對所反饋的信息對設(shè)備進(jìn)行自動調(diào)節(jié)和控制，在無人值守的情況下，確保了設(shè)備的安全運(yùn)行。未來的機(jī)電一體化設(shè)備將做到更加人性化的設(shè)計(jì)，在功能上進(jìn)一步完善，在精度上進(jìn)一步提高，同時加大開發(fā)微處理器、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)、通信技術(shù)等專業(yè)技術(shù)，使機(jī)電一體化技術(shù)在礦山設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用，促進(jìn)礦山企業(yè)快速發(fā)展，為地方經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展起到積極的推動作用。

近年來，隨著礦山機(jī)械化進(jìn)程的逐步加快，在機(jī)電一體化技術(shù)的研究和應(yīng)用上也取得了重大突破，特別是在地下礦山開采的安全避險“6大系統(tǒng)”(即壓風(fēng)自救系統(tǒng)、井下通訊聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)、監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、井下人員定位系統(tǒng)、供水施救系統(tǒng)、緊急避險系統(tǒng))。以及大型設(shè)備的綜合后備保護(hù)及自動化控制方面都取得了重大進(jìn)展。礦山機(jī)電一體化技術(shù)是礦山綜合自動化的基礎(chǔ)，機(jī)電一體化設(shè)備的應(yīng)用大大提升了礦山生產(chǎn)的綜合實(shí)力，為實(shí)現(xiàn)高效、安全、潔凈、結(jié)構(gòu)優(yōu)化的礦山企業(yè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也為礦山企業(yè)帶來了經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的雙豐收[1]。

2 主要應(yīng)用

隨著礦山企業(yè)井下戰(zhàn)線的延長及采區(qū)面積的增大，以前老礦山存在的人員多、效率低、單位生產(chǎn)能耗高的現(xiàn)象已無法適應(yīng)現(xiàn)代礦山企業(yè)的需要。要想生存和發(fā)展，必須淘汰落后產(chǎn)能，改造落后的高耗能設(shè)備，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，這也是現(xiàn)代礦山企業(yè)生存和發(fā)展的需要。

1)在無人值守智能泵站的應(yīng)用

礦山的排水系統(tǒng)是礦山建設(shè)和生產(chǎn)中不可缺少的一部分，它對保證礦井正常生產(chǎn)起著非常重要的作用，而中央泵房作為礦山排水系統(tǒng)的核心部分，將擔(dān)負(fù)著井下主要的排水任務(wù)。保障排水設(shè)備的安全穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行過程中的異常對保障整個礦山的安全生產(chǎn)顯得非常關(guān)鍵。

目前很多礦山采用的無人值守智能控制排水系統(tǒng)是在原有設(shè)施的基礎(chǔ)上進(jìn)行自動化改造，以使設(shè)備在無人干涉的情況下能自動運(yùn)行和自我診斷的一套控制系統(tǒng)，整個系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集與檢測、現(xiàn)場監(jiān)測與控制、遠(yuǎn)端監(jiān)控指揮3個部分組成。該系統(tǒng)通過對所攜帶的壓力傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器等各種傳感器傳輸回來的信號進(jìn)行檢測與反饋，由控制計(jì)算機(jī)對所反饋的信號進(jìn)行分析后做出相應(yīng)的指令對水泵進(jìn)行控制。當(dāng)水位上升時，DCS柜就會將水位傳感器傳出的信號轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可識別的數(shù)字信號傳入控制計(jì)算機(jī)，經(jīng)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行判斷后，由控制計(jì)算機(jī)發(fā)出指令操縱啟動柜完成相應(yīng)動作。在泵的運(yùn)行過程中，電流互感器、溫度傳感器等設(shè)備將數(shù)據(jù)經(jīng)DCS柜轉(zhuǎn)換傳給控制計(jì)算機(jī)，從而達(dá)到對水泵的運(yùn)行工況進(jìn)行全程監(jiān)控。如發(fā)現(xiàn)水泵運(yùn)行異常，控制計(jì)算機(jī)發(fā)出一系列指令使水泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)，同時啟動備用水泵，控制計(jì)算機(jī)記錄下的各種數(shù)據(jù)可提供查詢使用。該系統(tǒng)所使用的遠(yuǎn)端安全監(jiān)控系統(tǒng)不僅提供了前端作業(yè)區(qū)實(shí)時視頻瀏覽，而且可實(shí)現(xiàn)門禁及動力環(huán)境設(shè)備實(shí)時報(bào)警，在第1時間將報(bào)警信息及現(xiàn)場采集的影像資料上傳至中控室或網(wǎng)絡(luò)管理中心，由中心進(jìn)行遠(yuǎn)程指導(dǎo)或者遠(yuǎn)程操作排除險情，使事故得到及時處理，做到泵站在少人或無人值守的情況下能夠正常運(yùn)行，真正體現(xiàn)了泵站的現(xiàn)代化管理和智能化操作。

2)在提升機(jī)中的應(yīng)用

礦物提升是礦山生產(chǎn)的咽喉，對設(shè)備的電氣傳動及機(jī)械性能要求都很高，礦井提升機(jī)是目前礦山機(jī)電一體化設(shè)備中自動化水平最高的設(shè)備。目前所使用的全數(shù)字化交直流提升機(jī)，從結(jié)構(gòu)上將滾筒和驅(qū)動合為一體，機(jī)械結(jié)構(gòu)大為簡化，充分體現(xiàn)了機(jī)械—電力電子—計(jì)算機(jī)—自動控制的有機(jī)結(jié)合。采用PLC技術(shù)、變頻技術(shù)等大大簡化了電器設(shè)備的安裝，使系統(tǒng)組合十分方便，增強(qiáng)了抗干擾能力，同時通過采用芯片統(tǒng)一控制和PLC外端電路相結(jié)合的控制方式，使PLC系統(tǒng)除能完成繼電器系統(tǒng)具有的功能外，還能實(shí)現(xiàn)一些軟件功能，提升了提升機(jī)的可靠性。該系統(tǒng)具有更完善的軟硬件保護(hù)環(huán)節(jié)；實(shí)現(xiàn)了電動機(jī)的真正軟啟動；實(shí)現(xiàn)了無級平滑調(diào)速，可在靜態(tài)或動態(tài)任意調(diào)整電動機(jī)轉(zhuǎn)速；運(yùn)行平穩(wěn)，無轉(zhuǎn)差沖擊，大大減輕了機(jī)械沖擊的強(qiáng)度，提升操作系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)繩、手動、半自動、全自動運(yùn)行；除常規(guī)的保護(hù)外，還具有深度指示器斷軸(斷線)保護(hù)、減速點(diǎn)后備保護(hù)、錯向保護(hù)、給定方向記憶保護(hù)、二級制動解除保護(hù)、減速段超速保護(hù)、自動換向等功能；系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)提升機(jī)運(yùn)行全過程的自動監(jiān)控，對提升機(jī)運(yùn)行過程中的參數(shù)及可能危及提升機(jī)正常運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，并具有故障顯示、報(bào)警功能；維護(hù)工作量比原系統(tǒng)減少很多，耗電量也大大降低，節(jié)能效果非常顯著。電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用靈活、編程方便、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，大大提高了提升機(jī)的安全運(yùn)行，減少維護(hù)工作量，縮短了提升時間，提高了生產(chǎn)效率。目前我國研制成功的擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)字化提升機(jī)，其核心部分采用了由雙CPU構(gòu)成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，具有性能先進(jìn)、操作簡便、準(zhǔn)確可靠的特點(diǎn)，提高了提升機(jī)的性能，實(shí)現(xiàn)了提升機(jī)的全自動化[2]。

3)在礦井通風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用

礦井通風(fēng)是地下礦山生產(chǎn)的主要用電設(shè)備之一，其節(jié)能運(yùn)行在礦山節(jié)能降耗工作中占有重要的地位。地下礦山開采的特點(diǎn)是：巷道逐年加深，產(chǎn)量逐年增加，所需的通風(fēng)量逐年上升。但礦井通風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)選型時，往往是按最大開采量時所需的風(fēng)量為依據(jù)的，一般都留有余量，因此礦井在投產(chǎn)后幾年甚至十幾年內(nèi)，礦井通風(fēng)機(jī)都是處在低負(fù)載下運(yùn)行。此外，由于礦山井下作業(yè)不均衡，不同時間所需要的風(fēng)量也不同，以前的礦井在調(diào)節(jié)風(fēng)量時，比較常見的做法是調(diào)節(jié)檔板，這種辦法雖然簡單，但從節(jié)能的觀點(diǎn)看，是很不經(jīng)濟(jì)的。為了達(dá)到節(jié)能降耗的目的，可將可編程控制器應(yīng)用在主通風(fēng)機(jī)的自動化變頻系統(tǒng)上，該系統(tǒng)是以可編程序控制器作為控制核心，智能變頻器作為執(zhí)行核心的機(jī)電一體化成果。兗州礦業(yè)(集團(tuán))公司楊村煤礦將此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于南風(fēng)井和北風(fēng)井的主通風(fēng)機(jī)自動化變頻系統(tǒng)，通過改造后使主風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、調(diào)速平滑方便，而且實(shí)現(xiàn)了包括前導(dǎo)器和風(fēng)門在內(nèi)的全自動操作，在保證井下正常供風(fēng)的情況下因礦井的風(fēng)量需求減少而全年節(jié)約電費(fèi)上百萬元。

該設(shè)計(jì)為了確保通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行安全，將主回路設(shè)計(jì)為2部分：低頻部分由1臺VF61-2004智能變頻器和2臺ABB型低頻接觸器組成，是通風(fēng)機(jī)的主運(yùn)行回路；工頻部分由2臺降壓啟動器組成，作為低頻系統(tǒng)的后備回路，用于低頻系統(tǒng)發(fā)生故障的時候降壓啟動并且全速運(yùn)行通風(fēng)機(jī)。

控制系統(tǒng)由5部分組成：SU-6B工業(yè)可編程序控制器完成系統(tǒng)的自動控制和智能保護(hù)、WD41系列風(fēng)量傳感器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的風(fēng)量閉環(huán)控制、風(fēng)門絞車編碼器實(shí)現(xiàn)風(fēng)門的絞車精確行程控制、電流變送器實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)的過流保護(hù)、前導(dǎo)器電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)由可編程序控制器來控制前導(dǎo)器的開啟和并閉。

通風(fēng)機(jī)的風(fēng)門控制和風(fēng)量閉環(huán)是程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。a在通風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中，如果風(fēng)門的開、關(guān)過位，則有可能造成風(fēng)門絞車斷電或者對風(fēng)門造成損壞；如果開、關(guān)不到位，則會引起漏風(fēng)從而影響通風(fēng)機(jī)的效率。因而，除了在系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中給予充分的重視之外(采用TRD1000型軸編碼器)，軟件的設(shè)計(jì)也作了周密的考慮。b風(fēng)量閉環(huán)的質(zhì)量直接影響到礦井的通風(fēng)質(zhì)量甚至通風(fēng)安全，所以在軟件設(shè)計(jì)中采用了PD調(diào)節(jié)的方式，以保證閉環(huán)的質(zhì)量。

此項(xiàng)技術(shù)與以往的控制方式相比較，在可靠性及參數(shù)變更靈活性方面都具有很大的優(yōu)越性，是目前礦山各種風(fēng)量調(diào)節(jié)方法中最理想、最有效、最節(jié)能的調(diào)節(jié)方法，可以廣泛應(yīng)用于礦井主通風(fēng)機(jī)的自動化改造[3]。

4)在空氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

空氣壓縮機(jī)是礦山生產(chǎn)的4大固定設(shè)備之一，他生產(chǎn)壓縮空氣，用以帶動風(fēng)動鑿巖機(jī)等設(shè)備以及其他風(fēng)動工具，其能否安全運(yùn)行直接影響礦山生產(chǎn)的產(chǎn)量和效益問題。隨著礦山現(xiàn)代化的發(fā)展，對礦山設(shè)備的要求也越來越高，建設(shè)本質(zhì)安全性礦山已成為礦山企業(yè)生產(chǎn)建設(shè)的核心。礦山設(shè)備不斷更新，不斷進(jìn)步，對設(shè)備的可靠性、易操作性、可監(jiān)視性、易維護(hù)性提出了更高的要求。過去由繼電器搭成的控制器已不能適應(yīng)當(dāng)前的需求。隨著電子技術(shù)、軟件技術(shù)、控制技術(shù)飛速發(fā)展，可編程控制器(PLC)與由繼電器搭成的控制器相比，因其高性能和良好的性價比受到了用戶的青睞。目前很多礦山使用的螺桿式空氣壓縮機(jī)，都是采用PLC作為核心控制器，通過檢測儀器為PLC提供控制中所需要的信號參數(shù)，從而對空壓機(jī)進(jìn)行自動巡回檢測控制。進(jìn)行監(jiān)控的主要參數(shù)有空壓機(jī)高低壓缸溫度、潤滑油溫度、電機(jī)溫度、排氣溫度、排氣壓力等，實(shí)現(xiàn)了對設(shè)備運(yùn)行的實(shí)時監(jiān)控。同時系統(tǒng)內(nèi)部的軟邏輯功能，極大的簡化了空壓機(jī)控制回路外部接線，外部線路清晰明了。此外PLC支持在線編輯功能，方便現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)調(diào)試，增加了故障指示功能和故障閉鎖功能，便于空壓機(jī)故障的查找和處理，極大地縮短了系統(tǒng)恢復(fù)時間，即使非電氣專業(yè)人員也可以根據(jù)故障顯示知道故障所在，及時檢查和處理，從而極大地提高了系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)中采用相互閉鎖接點(diǎn)故障檢測設(shè)計(jì)，避免主交流接觸器、熱繼電器、水壓儀表、油壓儀表出現(xiàn)接點(diǎn)故障，在滿足工藝要求的基礎(chǔ)上程序設(shè)計(jì)語句實(shí)用、簡練、功能清晰明了，提高了設(shè)備的自動化管理水平。

3 結(jié)語

機(jī)電一體化技術(shù)作為眾多科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶，已經(jīng)成為企業(yè)信息化的重要支撐技術(shù)，目前已經(jīng)成為礦山綜合自動化的基礎(chǔ)。機(jī)電一體化技術(shù)在礦山采、掘、運(yùn)輸裝備的應(yīng)用與推廣，極大地提升了我國礦業(yè)生產(chǎn)的綜合實(shí)力，為實(shí)現(xiàn)高效、安全、潔凈、結(jié)構(gòu)優(yōu)化的礦業(yè)生產(chǎn)打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]祁小平.機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢[J].中國科技信息，2007(12)：311-312.

[2]孫樹樸，肖亮，王旭光，等.半導(dǎo)體交流技術(shù)[M].北京：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1994.

[3]武永勝，李旗.利用變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤礦主通風(fēng)機(jī)節(jié)能運(yùn)行[J].煤礦開采，2008，13(6)：68-69.