煤礦機械電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計研究解析

曾永

摘要：隨著煤礦開采技術(shù)的不斷提高，對煤礦機械電氣控制系統(tǒng)提出了更高需求。為保障煤礦機械電氣控制系統(tǒng)的有效運行，要進一步提高煤礦機械電氣控制系統(tǒng)的安全性及可靠性?；诖?，本文從煤礦機械電氣控制系統(tǒng)設(shè)計研究解析入手，深入分析當前機械電氣控制系統(tǒng)，為進一步升級改造提供參考。

關(guān)鍵詞：煤礦；電氣控制系統(tǒng)；設(shè)計

采煤機械的主要功能是將現(xiàn)代科技運用到礦井中，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工作業(yè)。與傳統(tǒng)的手工開采相比，采用煤礦機械具有高效率、高質(zhì)量、安全可靠的特點。目前，我國煤炭工業(yè)使用的采煤機主要是電力驅(qū)動采煤機，工作原理是通過電力驅(qū)動采煤機在煤層內(nèi)轉(zhuǎn)動，將礦井內(nèi)的煤炭通過相應(yīng)的運輸工具輸送到地表。電牽引式采煤機采用橫向式電動機，電氣牽引式采煤機以電腦為主，配有顯示屏，可顯示工作狀況及故障探測。電牽引采煤機以多臺電動機為動力，采用框架式的焊接結(jié)構(gòu)，由主機架、破碎裝置、搖臂等組成，采用銷軸連接。電拖式采煤機具有便于拆裝、檢修和維護的特點。

隨著科技水平的提高，煤礦設(shè)備在不斷更新，電力控制系統(tǒng)也在不斷更新。目前，煤礦井下采煤機的電力控制系統(tǒng)由電源、電源、遙控接收器、PLC、端子板、主回路、調(diào)速系統(tǒng)、主控制系統(tǒng)等構(gòu)成，主控系統(tǒng)是 PLC，它的主要功能是處理操作臺的運行和控制信號，然后將處理結(jié)果傳送給執(zhí)行器，從而控制采煤機。

一、機械電氣控制系統(tǒng)的作用

（一）高效控制煤礦機械

煤礦機械電氣操作控制系統(tǒng)能高效控制煤礦機械設(shè)備。機械電氣控制系統(tǒng)可以有效監(jiān)控電氣設(shè)備的運行狀態(tài)，有效降低生產(chǎn)中由于電氣控制系統(tǒng)原因造成的停產(chǎn)。由于煤炭資源儲量豐富，煤礦機械是煤礦生產(chǎn)的重要裝備，因此對電力需求較旺盛。如果在電力系統(tǒng)的運行中采用電氣控制系統(tǒng)，可以提高能源利用率，減少電力成本。

（二）確保機械設(shè)備持續(xù)安全運轉(zhuǎn)

隨著煤礦機械電氣設(shè)備的不斷增加，為了保障操作人員安全、穩(wěn)定的操作，要加大對機械機電控制系統(tǒng)的建設(shè)力度。從安全角度看，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，電氣設(shè)備對生產(chǎn)和發(fā)展起到的作用日益明顯，通過優(yōu)化電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提升電氣控制系統(tǒng)的可靠性和有效性。

（三）改善煤礦機械工作環(huán)境

在機械電氣控制系統(tǒng)設(shè)計中，充分利用電氣控制系統(tǒng)設(shè)計帶來的諸多優(yōu)勢改善煤礦機械工作環(huán)境。當煤礦機械工作環(huán)境較為惡劣時，需要進行改造，要考慮環(huán)境因素，并有效控制影響。

二、機電設(shè)備的設(shè)計過程

機電設(shè)備在設(shè)計過程中，主要包括以下三個環(huán)節(jié)：第一，確定生產(chǎn)目標及機電設(shè)備的規(guī)格型號。第二，確定產(chǎn)品方案、設(shè)備的安裝位置、結(jié)構(gòu)類型和結(jié)構(gòu)特點。第三，確定輔助設(shè)施、設(shè)備清單以及設(shè)備類別。機電設(shè)備設(shè)計的過程主要由前期分析機電設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式及材料性能，為后期的設(shè)計工作提供技術(shù)支撐。

（一）機電設(shè)備的性能分析

在設(shè)計機電設(shè)備的過程中，首先要分析機電設(shè)備的材質(zhì)和性能，結(jié)合自身的使用情況確定機電設(shè)備的性能和特點。選用機電設(shè)備時，要注意穩(wěn)定性和使用壽命；在設(shè)備選型時，要關(guān)注設(shè)備使用后的維護問題。其次，設(shè)計機電設(shè)備，分析設(shè)計過程中的內(nèi)容。最后，根據(jù)機電設(shè)備在使用過程中的安全隱患和環(huán)保要求，從而確保機電設(shè)備設(shè)計過程中的科學性和可靠性。

（二）機電設(shè)備的選型

設(shè)備選型的目的是為生產(chǎn)過程提供設(shè)備的基本需求，按照特點、功能、性能等方面進行設(shè)計。設(shè)備選型的目的是保障生產(chǎn)過程中的正常運行。因此，一定要結(jié)合自身特點及實際需求，要根據(jù)設(shè)備自身特性、功能、性能等方面要求進行選擇，并結(jié)合機電設(shè)備的工作特點，充分考慮設(shè)備的運行方式。

（三）機電設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計

機電設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計是整個機電設(shè)備設(shè)計過程中的重要環(huán)節(jié)，主要體現(xiàn)在以下方面：第一，確定機電設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)類型和性能進行篩選和選擇。第二，確定機電設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸及結(jié)構(gòu)形式。確定設(shè)備的基本尺寸和主要參數(shù)，還要與機電設(shè)備的設(shè)計指標進行對比分析。

（四）機電設(shè)備的安裝

機電設(shè)備安裝工作的主要目的是確保設(shè)備正常運行。在安裝過程中涉及的問題較多，主要包括：第一，確定設(shè)備的安裝位置。第二，確定機架之間的固定位置和空間位置，例如，機架與巷道間的固定安裝位置以及機架與設(shè)備之間的空間位置。第三，安裝施工工藝及技術(shù)措施。第四，設(shè)備調(diào)試及試運行。

三、機械電氣控制系統(tǒng)的具體設(shè)計原理

機械電氣控制系統(tǒng)是煤礦機械電氣控制系統(tǒng)的重要組成部分，它包括電動機和電氣控制設(shè)備。電動機主要承擔傳動和變速功能，可以為礦井提供源源不斷的動力。同時，電動機還可以通過連接不同電氣設(shè)備，實現(xiàn)多臺設(shè)備之間的聯(lián)動。因此，為了滿足現(xiàn)代化煤礦機械化采煤需求、確保煤礦生產(chǎn)安全，要合理布置不同機械電氣設(shè)備。

（一）電動機

電動機的具體布置包括兩個部分：第一，電源布置，為了滿足電動機提供動力的需求，確保其處于較好的工作狀態(tài)。第二，工作環(huán)境布置，通常指配置工作環(huán)境較惡劣地方的用電設(shè)備，從而確保設(shè)備在使用中更好的工作。電動機一般要采用低噪音標準的產(chǎn)品進行布置，在實際工作中，要盡量采用高效電機，以提高工作效率，保障設(shè)備運行穩(wěn)定。

（二）電氣控制設(shè)備

在自動化成都較高的礦井中，電氣控制設(shè)備主要由顯示裝置、遠程控制、數(shù)據(jù)顯示傳輸?shù)认到y(tǒng)構(gòu)成。遠程控制是一種適用于各種控制任務(wù)的通用型、高性能、高可靠性的工業(yè)自動化系統(tǒng)，主要實現(xiàn)對其他設(shè)備的起停、閉鎖等功能，在一定程度上實現(xiàn)智能化和自動化。

（三）人機界面

人機界面是指利用計算機以及通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)控制機械電氣控制系統(tǒng)中的各個部件，并以圖形、聲音和動畫等形式展現(xiàn)。通常情況下，人機界面是在主電腦中設(shè)計，并以圖形形式顯示。在這種情況下，用戶不僅可以操作和查詢，還可以現(xiàn)場控制設(shè)備之間的信息交互，因此可以監(jiān)控和管理整個控制系統(tǒng)。

（四）改造深度指示器

傳統(tǒng)煤礦開采工作中使用的深度指示器是機械式的，在測量精確度方面的表現(xiàn)還不夠理想，體積和質(zhì)量較大。隨著計算機信息技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，在電氣控制系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越多，利用先進信息技術(shù)改造深度指示器后，深度指示器除了具有輸出脈沖信號、采集并校核計算信號等功能外，與PLC系統(tǒng)配合能更好地監(jiān)控煤礦設(shè)備的工作過程。

四、機電設(shè)備電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計方法

機電設(shè)備電氣控制系統(tǒng)主要分為主控系統(tǒng)和輔助控制系統(tǒng)兩大類。主控系統(tǒng)包括主控電源、電氣設(shè)備控制信號等控制系統(tǒng)相關(guān)材料和硬件設(shè)備等。輔助控制系統(tǒng)包括主控制系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)、電動機以及電機控制信號等控制設(shè)備相關(guān)材料和硬件設(shè)備等。

（一）機電設(shè)備電氣控制系統(tǒng)的主要功能

機電設(shè)備電氣控制系統(tǒng)主要包括：對電力設(shè)備、控制系統(tǒng)、電氣設(shè)備、輔助設(shè)備等控制系統(tǒng)進行自動控制；控制設(shè)備參數(shù)；控制設(shè)備運行狀態(tài)；檢測電氣設(shè)備狀態(tài)；合理整合上述功能。

（二）控制系統(tǒng)硬件設(shè)備的確定

機電設(shè)備電氣控制系統(tǒng)的主要設(shè)備有電動機、控制柜、變頻器、電動機等，是電氣控制系統(tǒng)的主要部件，是機電設(shè)備電氣控制系統(tǒng)的核心。硬件設(shè)備在整個電氣控制系統(tǒng)中是影響工作效果的關(guān)鍵因素。通常情況下，可以通過以下幾種方式確定控制系統(tǒng)設(shè)備：首先，在了解機電設(shè)備控制系統(tǒng)工作原理基礎(chǔ)上，通過與現(xiàn)場具體工作環(huán)境的適應(yīng)性分析確定具體的工作方式。其次，通過對控制系統(tǒng)設(shè)備特性的分析，確定具體的工作原理。最后，通過優(yōu)化設(shè)計方案，確定控制系統(tǒng)硬件設(shè)備的具體位置和作用形式。除此之外，通過分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)，確定具體參數(shù)和控制范圍，從而使控制系統(tǒng)操作更加便捷，為設(shè)備的正常運行提供保障。

（三）電氣控制技術(shù)應(yīng)用

在設(shè)計初期，需要考慮電氣控制技術(shù)應(yīng)用的問題。首先，在設(shè)計控制系統(tǒng)時，根據(jù)機電設(shè)備電氣參數(shù)范圍等多方面因素計算分析，確定機電設(shè)備電氣的運行參數(shù)和范圍。其次，研究機電設(shè)備電氣控制技術(shù)應(yīng)用，將機電設(shè)備電氣應(yīng)用控制技術(shù)分為機械控制技術(shù)和電氣控制技術(shù)。電氣控制技術(shù)包括智能機械控制技術(shù)、電氣控制技術(shù)以及信息處理技術(shù)等，結(jié)合機電設(shè)備電氣控制系統(tǒng)實際情況，在機電系統(tǒng)中合理應(yīng)用。

（四）膠帶輸送機電氣控制系統(tǒng)

膠帶運輸機的電控制系統(tǒng)由電控裝置、軟啟動裝置、變頻器、調(diào)速液力耦合器、CST、液體粘性傳動裝置組成。各部件和設(shè)備之間的配合關(guān)系將會影響皮帶輸送機電氣控制系統(tǒng)的正常工作，它可以對皮帶輸送機的加速、減速、啟動、停止進行控制。一般膠帶輸送機的加速、減速、啟動、停止的控制標準是0.3m/s，在控制過程中，要認真檢查，以確保膠帶輸送機啟動的最低加速度和啟動條件，并確保電動機的動力均衡。為了保障皮帶輸送機的工作狀況，還應(yīng)隨時監(jiān)測上位計算機，了解輸送速度、煤流量、溫度、打滑、電流、堆煤、煙霧以及跑偏情況等，由于計算機可以準確顯示分站位置，更能實現(xiàn)故障的自動報警。為便于監(jiān)測煤礦，還應(yīng)把各煤礦的監(jiān)測系統(tǒng)進行聯(lián)網(wǎng)，使數(shù)據(jù)遠傳，實現(xiàn)遠距離監(jiān)測的目的。

（五）礦井提升機電氣控制系統(tǒng)

礦井提升機是井下人員和設(shè)備與外界交流的重要設(shè)備。然而，隨著科技水平的不斷提高，傳統(tǒng)的礦井提升系統(tǒng)已不能適應(yīng)煤礦生產(chǎn)的需求，而 PLC 技術(shù)和計算機技術(shù)廣泛運用于礦井提升系統(tǒng)，改善了礦井提升系統(tǒng)的綜合性能，不但能推動礦井提升機的自動化，還能提高安全性。

常規(guī)礦井提升機的工作原理是通過減速裝置傳輸電力，在將電力傳輸?shù)骄硗埠?，將集裝箱放下或升起，而盤式制動器則以水力或電的形式實現(xiàn)，通過傳感器、轉(zhuǎn)速發(fā)生器等組成安全保護裝置。采用計算機技術(shù)可以進一步改造煤礦提升機的安全防護體系。煤礦提升機電控制設(shè)備的核心部分也會隨之改變，以數(shù)字控制為核心，基于PLC的控制系統(tǒng)，動態(tài)監(jiān)測煤礦提升機的狀態(tài)，通過數(shù)字方式顯示故障，采用DC調(diào)速器與大功率變流器進行技術(shù)連接，實現(xiàn)全過程的數(shù)字化控制。此外，它可以同時安裝兩個獨立的傳感器、測量設(shè)備和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，以確保緊急情況下的需求。

交流變頻升降機是一種較先進的煤礦升降機，具有調(diào)速性能好、低頻運行性能好、電壓利用率高、轉(zhuǎn)矩脈動小、輸出轉(zhuǎn)矩大的特點，再加上極佳的故障防護與診斷功能以及科學的薄膜面板設(shè)計，提高了綜合性能，也能確保提升過程的安全性，因此在很多地區(qū)得到大力推廣和使用。

五、結(jié)語

綜上所述，為了滿足我國煤礦企業(yè)發(fā)展需求，相關(guān)人員要重視煤礦機械電氣控制系統(tǒng)和相關(guān)理論知識的研究。而在煤礦機械電氣控制系統(tǒng)設(shè)計過程中，要重視分析實際生產(chǎn)應(yīng)用過程中出現(xiàn)的各類問題原因，并在分析基礎(chǔ)上采取相應(yīng)的措施，確保生產(chǎn)環(huán)節(jié)順利進行，進而保障煤礦企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量。此外，在實際生產(chǎn)過程中，也要重視對技術(shù)改造方面問題的研究。

通過以上分析可知：在煤礦機械電氣控制系統(tǒng)設(shè)計過程中，要重視煤礦企業(yè)相關(guān)人員技術(shù)水平的提升，同時通過建立技術(shù)團隊以及技術(shù)交流等方式加強研發(fā)人員與技術(shù)人員的聯(lián)系，提高煤礦機械電氣控制系統(tǒng)整體設(shè)計能力和水平。從長遠看，這種方式還能確保控制系統(tǒng)在安全生產(chǎn)運行過程中始終保持穩(wěn)定狀態(tài)。

煤炭是我國的重要能源，我國是能源消費大國，煤炭與社會和經(jīng)濟的發(fā)展息息相關(guān)，因此要確保煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。另外，煤炭資源是一種自然資源，必須在合理范圍內(nèi)開發(fā)開采，采用先進、合理的開采技術(shù)十分必要。

參考文獻：

[1]李新華，葛立臣.煤礦機械的電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].煤炭技術(shù)，2012，31（03）：36-37.

[2]馮紅占.關(guān)于煤礦機械電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計研究[J].信息通信，2013（02）：277-278.