綜述機(jī)電一體化技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用

劉根民

摘 要：機(jī)電一體化技術(shù)運(yùn)用在煤礦中，推動(dòng)智慧礦山建設(shè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)煤炭生產(chǎn)的轉(zhuǎn)型改革。本文主要介紹了機(jī)電一體化技術(shù)在煤礦中的運(yùn)用，分析機(jī)電一體化技術(shù)在掘進(jìn)機(jī)、支護(hù)設(shè)備、采煤機(jī)、運(yùn)輸機(jī)以及監(jiān)控系統(tǒng)等方面的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化技術(shù);煤礦機(jī)械;智慧礦山;自動(dòng)控制系統(tǒng);轉(zhuǎn)型改革

引言

當(dāng)前世界高速發(fā)展，煤炭是工業(yè)建設(shè)的基礎(chǔ)能源。為了滿足我國能源的需求，如何高效的開采、利用煤礦資源一直都是重要的研究課題。煤礦機(jī)電一體化技術(shù)便是將電工電子技術(shù)、電氣、計(jì)算機(jī)設(shè)備與機(jī)械相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)煤礦的信息化、自動(dòng)化以及智慧化等多元化。在煤礦中運(yùn)用機(jī)電一體化技術(shù)提高了煤礦的生產(chǎn)效率，保障煤礦的生產(chǎn)安全，優(yōu)化煤礦資源的利用，對(duì)高效的開采和高效利用煤礦資源具有了重要戰(zhàn)略意義。

意義

將機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用在煤礦事業(yè)中，加速了智慧化礦山建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)煤炭生產(chǎn)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。有效地降低了安全生產(chǎn)的成本;提高了安全生產(chǎn)效率;減小了勞動(dòng)強(qiáng)度;提高了安全系數(shù)，有效地保證了作業(yè)人員的生命安全[1]。

一、機(jī)電一體化技術(shù)的內(nèi)涵

（一）信息處理技術(shù)

利用計(jì)算機(jī)程序編制、Algorithm處理，從而下達(dá)各種指令，通過硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電子元件與機(jī)械的有效聯(lián)系，從而達(dá)到煤礦設(shè)備的信息化、自動(dòng)化以及智慧化等多元化。

（二）檢測(cè)傳感技術(shù)

通過各種傳感器及各類軟件的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)與傳感的功能。機(jī)電一體化設(shè)備中，高效先進(jìn)的傳感系統(tǒng)可以根據(jù)傳感器反饋來的信息對(duì)煤礦設(shè)備的系統(tǒng)進(jìn)行控制[2]。在煤礦機(jī)電一體化設(shè)備中，一旦傳感器失效，就會(huì)造成很多控制系統(tǒng)不能準(zhǔn)確的檢測(cè)控制對(duì)象的相關(guān)參數(shù)，無法進(jìn)行有效地反饋，也就無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和自動(dòng)操作，實(shí)現(xiàn)智慧化。因此傳感技術(shù)水平的高低直接影響著機(jī)電一體化的技術(shù)的發(fā)展，智慧化礦山的建設(shè)。

（三）自動(dòng)控制技術(shù)

由于煤礦井下作業(yè)環(huán)境惡劣，存在危險(xiǎn)因素。所以為了更加有效地安全生產(chǎn)，自動(dòng)控制技術(shù)便成了煤礦生產(chǎn)中機(jī)電一體化技術(shù)中必不可少的技術(shù)之一[3]。自動(dòng)控制技術(shù)主要有四類，分別為：位式控制、積分控制、比例控制以及微分控制四大類控制。實(shí)際運(yùn)用則是根據(jù)不同的要求設(shè)計(jì)不同的自動(dòng)控制技術(shù)或是自動(dòng)控制組合技術(shù)（例如，比例–積分控制、比例–微分控制、比例–積分–微分控制等）。

（四）系統(tǒng)集成技術(shù)

系統(tǒng)集成技術(shù)是將機(jī)械、信息數(shù)據(jù)，自動(dòng)控制集成于一體，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制有效運(yùn)行的技術(shù)[4]。

二、機(jī)電一體化技術(shù)在煤礦中的運(yùn)用

（一）機(jī)電一體化技術(shù)在煤礦掘進(jìn)機(jī)中的應(yīng)用

掘進(jìn)機(jī)是煤礦生產(chǎn)作業(yè)中極其重要的機(jī)械設(shè)備。因此在掘進(jìn)機(jī)中應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)是非常有必要的。它可以有效地提高掘進(jìn)生產(chǎn)作業(yè)的效率。在煤礦掘進(jìn)機(jī)中常將電氣系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)有效地結(jié)合形成協(xié)同作用，從而達(dá)到機(jī)、電、液一體化的高標(biāo)準(zhǔn)[4]。其中電氣部分主要有：安全操作箱、礦用防爆電鈴、防爆燈以及礦用防爆開關(guān)集成箱等一系列裝備[5]。通過電氣元件，可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。利用PLC可編程控制器為關(guān)鍵核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種硬、軟件的時(shí)式監(jiān)控、檢查以及保護(hù)。將各種硬、軟件的運(yùn)行狀況、電氣參數(shù)以及故障信息顯示出來。在整個(gè)系統(tǒng)中，機(jī)電一體化技術(shù)運(yùn)用表現(xiàn)出了傳統(tǒng)機(jī)械中不具備的優(yōu)勢(shì)。安全性、可靠性以及各種構(gòu)件之間的協(xié)調(diào)溝通性明顯增強(qiáng)。

（二）機(jī)電一體化技術(shù)在煤礦支護(hù)設(shè)備的應(yīng)用

目前，我國煤礦生產(chǎn)作業(yè)中，傳統(tǒng)的支護(hù)設(shè)備常用的大多都是液壓支架。但是隨著現(xiàn)代化工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，智慧化生產(chǎn)技術(shù)的提高，機(jī)、電、液一體化綜合智能控制支護(hù)設(shè)備應(yīng)用越來越多。機(jī)、電、液綜合智能控制技術(shù)也是機(jī)電一體化技術(shù)的體現(xiàn)。它主要是將計(jì)算機(jī)控制技術(shù)與液壓控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合在一起，形成定向壓力和雙向移動(dòng)自動(dòng)荷載，造成對(duì)頂板和支架沖擊，從而提高支架承受頂板的負(fù)荷沖擊能力[6]。同時(shí)也提高作業(yè)速度，有效地實(shí)現(xiàn)了支護(hù)作業(yè)的監(jiān)控能力。一旦某個(gè)支架出現(xiàn)故障，通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)也可以及時(shí)的反映給工作人員，實(shí)現(xiàn)人與人，人與機(jī)，機(jī)與機(jī)的協(xié)調(diào)通訊。

（三）機(jī)電一體化技術(shù)在采煤機(jī)中的應(yīng)用

將機(jī)電一體化技術(shù)運(yùn)用在采煤機(jī)中，大大提高了傳統(tǒng)采煤機(jī)的工作性能。經(jīng)科研人員的不斷研發(fā)，我國將機(jī)電一體化技術(shù)運(yùn)用在采煤機(jī)中研發(fā)的電牽引采煤機(jī)也逐步走向了成熟。大同煤礦集團(tuán)公司煤峪口礦就采用此類電牽引采煤機(jī)。此類電牽引采煤機(jī)的主要特點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：

（1）可以為采煤機(jī)前進(jìn)所需提供足夠的穩(wěn)定良好的動(dòng)力。能克服外界的阻力，順利移動(dòng)，自動(dòng)控制系統(tǒng)一旦發(fā)現(xiàn)采煤機(jī)出現(xiàn)下滑、滯后等一系列情況，還能立即發(fā)電制動(dòng)，還能通過電網(wǎng)反饋電能[7]。

（2）在大傾角煤層作業(yè)條件下也可以正常作業(yè)。設(shè)計(jì)的制動(dòng)力矩是電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的4倍左右。因此，此類具有機(jī)電一體化技術(shù)的電牽引采煤機(jī)，能夠不用附加任何防滑設(shè)備的情況下，在傾角約為50°的煤層中正常工作。

（3）與傳統(tǒng)的采煤機(jī)設(shè)備相比這類電牽引采煤機(jī)的反應(yīng)靈敏度和動(dòng)態(tài)性也顯著提升。電氣控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可以隨時(shí)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。

（4）運(yùn)行安全穩(wěn)定，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作效率高。機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，尺寸比傳統(tǒng)采煤機(jī)設(shè)備小，搬運(yùn)、移動(dòng)、操作更加靈活[8]。此類電牽引采煤機(jī)只需要進(jìn)行一次電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，所以轉(zhuǎn)化效率提高，可達(dá)99%左右，節(jié)能環(huán)保，運(yùn)行穩(wěn)定。

（四）機(jī)電一體化技術(shù)在輸送機(jī)中的應(yīng)用

在我國煤礦生產(chǎn)作業(yè)過程中，帶式輸送機(jī)是重要的輸送設(shè)備。因此，將機(jī)電一體化技術(shù)運(yùn)用到輸送機(jī)中，提高輸送機(jī)的性能也是一個(gè)重要的研究課題。輸送機(jī)的電氣運(yùn)行和電氣控制系統(tǒng)必需要滿足高效性、穩(wěn)定性、環(huán)境適應(yīng)性、設(shè)備的抗干擾性，以及長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)的安全性。大同煤礦集團(tuán)公司煤峪口礦運(yùn)用的運(yùn)輸機(jī)利用CST可控軟啟動(dòng)裝置，采用機(jī)、電、液一體化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)軟驅(qū)動(dòng)裝置。有效地提高了煤礦的運(yùn)輸效益。也有用永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)代替CST技術(shù)。目前，我國研制的輸送機(jī)主要是以PLC為控制核心，采用行星輪減速器和調(diào)速型液力耦合器來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[9]。

（五）機(jī)電一體化技術(shù)在提升機(jī)中的運(yùn)用

當(dāng)前，機(jī)電一體化技術(shù)在煤礦井下提升機(jī)中應(yīng)用非常廣泛。借助PLC可編程控制器對(duì)提升機(jī)進(jìn)行多功能控制，并改善其性能，來確保煤礦井下提升機(jī)的安全運(yùn)行。目前，在煤礦生產(chǎn)作業(yè)中，應(yīng)用最多的是數(shù)字化交直流提升機(jī)，將滾筒與驅(qū)動(dòng)有效地結(jié)合在一起，充分體現(xiàn)了機(jī)械——計(jì)算機(jī)——電工電子——自動(dòng)化控制有機(jī)的結(jié)合起來。我國曾自主研發(fā)是以ASCS為核心部分，由CPU為控制系統(tǒng)的全數(shù)字提升機(jī)，已在煤礦開采中得到廣泛應(yīng)用。同煤集團(tuán)煤峪口礦目前主要采用ASCS為核心的全數(shù)字提升機(jī)。并取得顯著的效益。為PLC可編程控制器對(duì)提升機(jī)控制示意圖。

（六）機(jī)電一體化技術(shù)在監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

在煤礦生產(chǎn)中，作業(yè)人員的安全問題是保證煤礦順利生產(chǎn)的前提。所以機(jī)電一體化技術(shù)在煤礦安全生產(chǎn)檢測(cè)的應(yīng)用也是非常重要的研究方向。由于我國對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品研發(fā)、運(yùn)用起步晚，所以在煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控應(yīng)用技術(shù)不夠成熟。但是近年來，我國不斷地加快現(xiàn)代化進(jìn)程步伐，向打造智慧化礦山建設(shè)靠攏，主要是以智能化監(jiān)控煤礦安全生產(chǎn)。

三、機(jī)電一體化技術(shù)在煤礦未來的發(fā)展

（一）微型化

我國自發(fā)研制的機(jī)電一體化設(shè)備，以體積小，操作方便，安全性高，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)在煤礦生產(chǎn)作業(yè)中廣泛運(yùn)用。不但提高了煤礦企業(yè)的生產(chǎn)效率，生產(chǎn)能力，而且也創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但是我國機(jī)電一體化技術(shù)還是發(fā)展不完善，對(duì)機(jī)電一體化設(shè)備的研究依然是刻不容緩。其未來的發(fā)展趨勢(shì)是：精細(xì)化，微型化。微電子技術(shù)如今發(fā)展迅速，開發(fā)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的配套型核心技術(shù)，尤為重要。[10]

（二）模塊化

模塊化可以提高產(chǎn)品的通用性，提高產(chǎn)品的可維修性和可擴(kuò)展性等。煤礦井下生產(chǎn)作業(yè)，由于各種因素影響，煤礦井下設(shè)備復(fù)雜度高，所以提高煤礦機(jī)電一體化的模塊化，對(duì)設(shè)備的維修，管理，以及互換型具有重要意義，可以有效地提高作業(yè)效率等。

（三）綠色化

由于煤礦生產(chǎn)對(duì)環(huán)境造成不同程度的破壞與污染，那么研究綠色化機(jī)電一體化設(shè)備具有了重要意義。通過機(jī)電一體化技術(shù)提高了，煤礦生產(chǎn)作業(yè)的智慧化程度，降低機(jī)械化原材料的消耗，不斷減少對(duì)環(huán)境污染破壞，也為可持續(xù)發(fā)展提供了保障。

（四）智慧化

智慧化是一個(gè)知識(shí)處理系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)人工智慧技術(shù)在煤礦生產(chǎn)作業(yè)中的運(yùn)用。加大對(duì)工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)，以及煤礦井下機(jī)器人的研發(fā)，具有里程碑的意義。

四、煤礦機(jī)電一體化技術(shù)的運(yùn)用策略

煤炭資源無論在什么時(shí)代都是非常重要的能源。進(jìn)行科學(xué)的煤礦生產(chǎn)就顯得尤為重要。為了使機(jī)電一體化技術(shù)在煤礦生產(chǎn)中科學(xué)的運(yùn)用，就需要按照煤礦機(jī)電一體化技術(shù)運(yùn)用策略來完成。

（一）建立和完善管理體系

機(jī)電一體化技術(shù)在煤礦中運(yùn)用，管理體系是必不可少的內(nèi)容。在很多方面都會(huì)產(chǎn)生很大影響。在日本、德國、美國等企業(yè)管理體系發(fā)展的比較成熟。我國很多煤礦企業(yè)對(duì)管理體系不注意，對(duì)于很多安全隱患不發(fā)現(xiàn)，不分析。對(duì)于煤礦的長(zhǎng)久發(fā)展產(chǎn)生了很大的阻礙。煤礦機(jī)電一體化設(shè)備是煤礦向綠色化、智慧化發(fā)展的基礎(chǔ)。對(duì)于機(jī)電一體化技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用，必須要建立完善的管理體系，才能更好地促進(jìn)煤礦發(fā)展長(zhǎng)治久安。

（二）提高作業(yè)人員的素質(zhì)

為了在未來煤礦企業(yè)可以更加科學(xué)的快速的發(fā)展，對(duì)于煤礦作業(yè)人員的素質(zhì)培養(yǎng)也應(yīng)該不斷地提升，同煤集團(tuán)建立了完善的“1311”人才戰(zhàn)略，以及建立了人才儲(chǔ)備庫等一系統(tǒng)戰(zhàn)略措施。有效提高同煤集團(tuán)的人員素質(zhì)。堅(jiān)持加大對(duì)煤礦作業(yè)人員對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)等高效技術(shù)做出科學(xué)高效的培訓(xùn)是具有重要意義。

（三）加大機(jī)電標(biāo)準(zhǔn)化的管理

目前機(jī)電一體化技術(shù)在煤礦中已經(jīng)進(jìn)行了科學(xué)的應(yīng)用，取得了非常好的效果。在同煤集團(tuán)公司運(yùn)用了大量的高效性智慧化機(jī)器人作業(yè)，極大的提高了無人化礦山的建設(shè)，促進(jìn)了機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展。在未來的工作中加大對(duì)煤礦機(jī)電一體化設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化管理。依照正確的規(guī)范、規(guī)程以及國家政策，進(jìn)行管理操作，研究應(yīng)用。

五、結(jié)束語

機(jī)電一體化技術(shù)在煤礦生產(chǎn)作業(yè)中的運(yùn)用，保障了勞動(dòng)安全，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了煤礦的生產(chǎn)方式，提高了工作效率，提高了企業(yè)的效益。推動(dòng)了煤礦企業(yè)的平穩(wěn)可持續(xù)發(fā)展，加強(qiáng)了我國綠色礦山、智慧礦山的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)煤炭生產(chǎn)的轉(zhuǎn)型改革。

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