煤礦機(jī)械自動(dòng)化的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)分析

吳 珺

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)同忻煤礦， 山西 大同 037300）

引言

機(jī)械自動(dòng)化主要指的是相關(guān)機(jī)械能夠?qū)崿F(xiàn)自主作業(yè)，不需要人工的實(shí)時(shí)控制。計(jì)算機(jī)技術(shù)的深入應(yīng)用，使自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，將其應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中，極大地緩解了人工操作帶來的壓力，降低了人工作業(yè)的失誤率。與此同時(shí)，機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)還在不斷深入研究，開始朝著多功能、智能化的方向發(fā)展。大多煤礦生產(chǎn)企業(yè)，已經(jīng)在20 世紀(jì)60 年代開始應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)，到如今機(jī)械自動(dòng)化已經(jīng)基本覆蓋了整個(gè)煤礦生產(chǎn)環(huán)節(jié)，極大地節(jié)省了人工成本，提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)也降低了事故發(fā)生率。

1 機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)在我國(guó)應(yīng)用概況

隨著工業(yè)生產(chǎn)的快步發(fā)展以及人們生活水平的不斷提高，對(duì)于煤炭的需求量越來越大，加上我國(guó)現(xiàn)如今提倡綠色發(fā)展，對(duì)煤礦生產(chǎn)工作有了更高的要求。應(yīng)用機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)，能夠有效提升煤礦生產(chǎn)效率，降低煤礦開采、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)中可能會(huì)出現(xiàn)的安全風(fēng)險(xiǎn)，保證了煤礦生產(chǎn)的正常運(yùn)行。可以說，機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)給煤礦企業(yè)發(fā)展乃至社會(huì)發(fā)展都起到了推動(dòng)作用，對(duì)機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行深入研究，探討其發(fā)展趨勢(shì)是有必要的。如今是智能化時(shí)代，計(jì)算機(jī)技術(shù)以及信息技術(shù)得到了快速的發(fā)展并廣泛普及應(yīng)用，這給機(jī)械工程的自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展帶來了新的發(fā)展方向。此外，我國(guó)倡導(dǎo)綠色發(fā)展，為走可持續(xù)發(fā)展道路，需要讓自動(dòng)化技術(shù)向節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展。

2 煤礦機(jī)械自動(dòng)化的應(yīng)用

2.1 采掘自動(dòng)化

現(xiàn)如今各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域都對(duì)煤炭有極大需求，這就要求煤礦企業(yè)要不遺余力提高生產(chǎn)效率。將煤礦機(jī)械自動(dòng)化應(yīng)用到煤礦生產(chǎn)中，能夠?qū)崿F(xiàn)煤炭采掘自動(dòng)化，極大地提升煤炭的開采效率和產(chǎn)煤量。作為煤礦生產(chǎn)的關(guān)鍵組成部分，機(jī)械設(shè)備自動(dòng)化對(duì)于煤礦生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本以及生產(chǎn)安全都有著極大的影響。近年來隨著自動(dòng)化技術(shù)水平的不斷提高，采煤機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)等先進(jìn)的自動(dòng)化設(shè)備在煤炭采掘工作中得到了廣泛應(yīng)用，我國(guó)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)備國(guó)產(chǎn)化，幾乎90%以上的機(jī)械設(shè)備為國(guó)產(chǎn)[1]。但在實(shí)際的煤炭采掘工作中，發(fā)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)化應(yīng)用效果不理想，依舊存在運(yùn)輸能力低、過煤量低等情況，因此我國(guó)采掘設(shè)備的機(jī)械自動(dòng)化水平還依然有提升空間，應(yīng)進(jìn)一步提升設(shè)備的信息化、智能化水平，同時(shí)也要著重自動(dòng)化設(shè)備的安全可靠性研究。與其他的行業(yè)生產(chǎn)不同，煤礦生產(chǎn)的環(huán)境惡劣，可以將煤炭采掘中應(yīng)用到的各種機(jī)械設(shè)備串聯(lián)成一個(gè)生產(chǎn)鏈，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)操作，能夠讓采掘工作更加智能化。如下頁(yè)圖1 所示，為某企業(yè)采掘自動(dòng)化示意圖。

圖1 采掘自動(dòng)化

2.2 運(yùn)輸自動(dòng)化

與傳統(tǒng)的井下厚煤膠帶運(yùn)輸不同，煤炭運(yùn)輸借助了PLC 技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)，能夠在煤炭運(yùn)輸中實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)輸情況，目前已經(jīng)形成綜合化保護(hù)系統(tǒng)，對(duì)于煤炭運(yùn)輸有積極作用?，F(xiàn)如今，我國(guó)對(duì)煤炭運(yùn)輸工作現(xiàn)狀以及運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行研究，將變頻、變速技術(shù)應(yīng)用其中，同時(shí)研究出膠帶機(jī)全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)以及膠帶集中監(jiān)控系統(tǒng)，兩個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用，使煤炭運(yùn)輸自動(dòng)化有了更好的保障，不僅節(jié)省了資源，還提升了運(yùn)行穩(wěn)定性。

某企業(yè)在膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了PLC 以及模糊控制算法的控制系統(tǒng)，原膠帶機(jī)主要依靠繼電器、接觸器實(shí)現(xiàn)參數(shù)控制，如下頁(yè)圖2 所示，為膠帶機(jī)的運(yùn)輸流程。其膠帶運(yùn)輸機(jī)由5 部分組成，其中1、2、4號(hào)為落地式鋼架膠帶機(jī)，3 號(hào)是圓振動(dòng)篩，5 號(hào)是鋼絲繩芯強(qiáng)力膠帶機(jī)。開采后的原煤由5 號(hào)膠帶機(jī)輸送到地面上，隨后由其他幾號(hào)膠帶機(jī)依次輸送至儲(chǔ)煤場(chǎng)[2]。

圖2 膠帶機(jī)運(yùn)輸流程

在長(zhǎng)期的應(yīng)用過程中，發(fā)現(xiàn)該膠帶機(jī)在運(yùn)輸時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)響應(yīng)速度慢、保護(hù)動(dòng)作延后等問題，且極易發(fā)生故障，影響原煤運(yùn)輸效率。

因此該企業(yè)設(shè)計(jì)了一款控制系統(tǒng)，由PLC 和模糊控制算法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)膠帶機(jī)的有效控制，原理圖如圖3 所示。

圖3 PLC+模糊控制算法的控制原理

在該控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種模式的自由切換，同時(shí)還能夠?qū)Χ嗯_(tái)膠帶機(jī)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制，提升了膠帶機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量和響應(yīng)速度。

2.3 安全監(jiān)控自動(dòng)化

受環(huán)境因素的影響，煤礦生產(chǎn)作業(yè)需要大量的機(jī)械設(shè)備，不論是設(shè)備操作還是人工作業(yè)，都有一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，必須要將安全生產(chǎn)工作放到首位，才能夠有效避免安全事故的發(fā)生。因此，我國(guó)的煤炭企業(yè)在應(yīng)用自動(dòng)化機(jī)械的同時(shí)，也加強(qiáng)了安全監(jiān)控工作?，F(xiàn)下應(yīng)用最為普遍的便是紅外線/ 紫外線噴霧設(shè)備，通過檢測(cè)瓦斯?jié)舛?，?shí)現(xiàn)安全監(jiān)控[3]。在實(shí)際的應(yīng)用過程中，如果設(shè)備中的瓦斯?jié)舛雀哂陬A(yù)設(shè)值，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，工作人員在接到報(bào)警信號(hào)后及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，能夠有效避免人員傷亡，降低企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失。除此之外，還可以借助人工檢測(cè)的方式實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)控，主要是借助監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)工作人員所在區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并第一時(shí)間通知工作人員盡快遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)。

當(dāng)然，在實(shí)際的煤礦作業(yè)中，很多因素都可能引發(fā)安全事故，譬如瓦斯、氧氣、濕度、粉塵等。這種風(fēng)險(xiǎn)因素不能完全消除，只能依靠安全監(jiān)控來避免安全事故的發(fā)生。在機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過程中，將監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用到設(shè)備中，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)因素，一旦出現(xiàn)問題立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)，便于工作人員采取相應(yīng)措施，可以更好地降低事故發(fā)生。譬如電牽引采煤機(jī)上安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以通過計(jì)算機(jī)來接收信息，能夠有效監(jiān)測(cè)到機(jī)械的運(yùn)行狀況，收集礦井作業(yè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)異常能夠及時(shí)處理。如圖4所示，為采煤機(jī)工況監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)工作情況。

圖4 采煤機(jī)工況監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)工作情況

2.4 綜采巡檢自動(dòng)化

煤礦井下綜采工作難度大，涉及眾多的機(jī)械設(shè)備，環(huán)境空間小、溫度高，且視覺差，是煤礦安全事故多發(fā)地，也是煤礦企業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的環(huán)節(jié)。在監(jiān)測(cè)工作中，通常采用人工巡檢和在線監(jiān)控兩種方式，兩種方式各有利弊，人工巡檢靈活度高，但勞動(dòng)強(qiáng)度大，巡檢效率低；在線監(jiān)控效率高，但靈活性差，且成本高、覆蓋面積小。在這種背景下，一些企業(yè)開始著手研究巡檢機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了綜采巡檢自動(dòng)化。如圖5 所示，為綜采工作面巡檢機(jī)器人系統(tǒng)組成。

圖5 綜采工作面巡檢機(jī)器人系統(tǒng)組成圖

該系統(tǒng)中，主要通過無線通信來實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸?；窘柚鶺i-Fi 來為機(jī)器人巡檢提供實(shí)時(shí)信號(hào)，在手持遙控終端內(nèi)部，有專用APP，能夠通過基站信號(hào)了解機(jī)器人的巡檢信息，在巡檢機(jī)器人內(nèi)部設(shè)置通信模塊，實(shí)現(xiàn)整個(gè)井下到地面的信息互聯(lián)。

如圖6 所示，為機(jī)器人本體控制程序流程。

圖6 機(jī)器人本體控制程序流程

在該程序中，巡檢機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)以下幾種功能：

1）在巡檢過程中，能夠借助集控系統(tǒng)完成巡檢點(diǎn)的修改，實(shí)現(xiàn)巡檢路線規(guī)劃智能化。

2）系統(tǒng)支持紅外視頻，同時(shí)與基站保持無線連接，支持視頻錄像、播放、暫停等功能，保證工作人員在地面能夠?qū)崟r(shí)了解井下巡檢情況。

3）具備實(shí)時(shí)報(bào)警功能，在巡檢過程中遇到突發(fā)情況，可以借助畫面、聲音、郵件等方式，傳遞到地面，同時(shí)對(duì)報(bào)警信息的時(shí)間、地點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)儲(chǔ)存，方便隨時(shí)調(diào)閱查詢。

3 煤礦機(jī)械自動(dòng)化的發(fā)展

3.1 發(fā)展現(xiàn)狀

2017 年以后，我國(guó)的煤炭市場(chǎng)開始呈現(xiàn)回暖趨勢(shì)，帶動(dòng)了機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，越來越多的采礦設(shè)備和先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用其中，在某種程度上，煤炭行業(yè)的發(fā)展要得益于科技的不斷進(jìn)步。如今煤礦開采開始朝著智能化、成套化的方向發(fā)展，設(shè)備更迭速度更快，而我國(guó)目前的自動(dòng)化技術(shù)還有需要完善和改進(jìn)的地方。目前我國(guó)依據(jù)發(fā)展的實(shí)際情況，正在進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)械自動(dòng)化配套系統(tǒng)，以柔性生產(chǎn)為前提，借助計(jì)算機(jī)建立完善的信息系統(tǒng)，優(yōu)化人機(jī)界面，通過在人機(jī)界面進(jìn)行操作，讓自動(dòng)化設(shè)備帶動(dòng)普通設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)然自動(dòng)化技術(shù)并不是一蹴而就的，同發(fā)達(dá)國(guó)家相比較，我國(guó)的自動(dòng)化技術(shù)仍然需要國(guó)家的大力扶持，企業(yè)也要秉承學(xué)習(xí)的態(tài)度，積極吸取先進(jìn)理念和技術(shù)，再針對(duì)我國(guó)國(guó)情，制定科學(xué)的發(fā)展策略，相信在不久的未來，我國(guó)自動(dòng)化技術(shù)會(huì)更上一層樓。

3.2 發(fā)展方向

3.2.1 自動(dòng)化

目前煤礦機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)并沒有十分成熟，仍然需要不斷改進(jìn)和完善，以此來更好地滿足社會(huì)發(fā)展需求。當(dāng)前我國(guó)社會(huì)發(fā)展迅猛，對(duì)于機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)的研究，應(yīng)進(jìn)一步迎合市場(chǎng)發(fā)展，抓住時(shí)代機(jī)遇，完善現(xiàn)階段技術(shù)中的不足。譬如一些機(jī)械設(shè)備容易受到溫度、濕度等因素影響，干擾因素極易導(dǎo)致設(shè)備操控靈敏度下降，運(yùn)行出現(xiàn)偏差，這對(duì)于煤礦生產(chǎn)工作極為不利，直接將影響到煤礦生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)安全。因此對(duì)自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行完善將會(huì)是未來發(fā)展的一個(gè)必經(jīng)之路。

3.2.2 智能化

智能技術(shù)的提出和應(yīng)用，在短短幾年的時(shí)間里，就讓人們了解到智能化技術(shù)的先進(jìn)性和便捷性。煤礦采掘技術(shù)如果能夠借助智能化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行程序、設(shè)備的智能化運(yùn)行，將能夠更好地完成采掘工作。同時(shí)還能夠借助智能化技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)全覆蓋，對(duì)煤礦生產(chǎn)中的每一個(gè)環(huán)節(jié)都能夠進(jìn)行智能檢測(cè)，一旦出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，直接發(fā)出警告信息，同時(shí)給予解決方案建議，節(jié)省問題分析以及處理時(shí)間。

再比如井下機(jī)器人的研發(fā)，也是借助自動(dòng)化和智能化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。將機(jī)器人應(yīng)用到井下作業(yè)中，可以取代人工完成相應(yīng)工作，保證了作業(yè)安全性。與此次同時(shí)，井下機(jī)器人還能夠通過影像，將井下的環(huán)境匯報(bào)給工作人員，工作人員只需要控制地面上的顯示屏，便能夠?qū)C(jī)器人進(jìn)行下一步操作。實(shí)時(shí)同步的數(shù)據(jù)傳輸保證了開采效率和質(zhì)量的同時(shí)，還能夠在及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題后，迅速做出合理調(diào)整，保證開采方案的安全可靠。

4 結(jié)語

煤礦機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)在煤礦生產(chǎn)中起著重要的作用，然而我國(guó)的自動(dòng)化技術(shù)依然處于學(xué)習(xí)和研究的階段。因此，要重視自動(dòng)化技術(shù)，并結(jié)合煤礦生產(chǎn)的實(shí)際情況，掌握煤礦自動(dòng)化的需求，進(jìn)一步完善煤礦機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)。這就需要我國(guó)重視自動(dòng)化技術(shù)的研發(fā)工作，加大資金投入，積極引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)科學(xué)發(fā)展。