進口采煤機電氣控制系統(tǒng)國產(chǎn)化改造研究與實踐

蘇良碧，劉超華，李卓明

（中煤平朔發(fā)展集團有限公司井工設(shè)備維修中心，山西朔州 036002）

0 引言

通過對舊式進口采煤機進行國產(chǎn)化和智能化改造，可以有效解決以上難題。改造方案包括，對采煤機電氣系統(tǒng)的關(guān)鍵部件、控制系統(tǒng)、通信與數(shù)據(jù)分析、控制算法、人機交互及安全性能等方面的升級優(yōu)化。通過引進先進的設(shè)計理念和制造工藝，可以提高舊式進口采煤機的整體性能，降低生產(chǎn)成本并提高礦產(chǎn)回收率。此外，智能化改造將有助于提高采煤機的自動化程度和作業(yè)精度。通過采用人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析和先進的傳感器技術(shù)，實現(xiàn)采煤機的實時監(jiān)控、遠程操作和智能調(diào)度，進而降低人工成本、提高作業(yè)安全性和環(huán)保性能。

1 采煤機電氣系統(tǒng)改造方案

1.1 整體設(shè)計方案

在采煤機電氣控制系統(tǒng)中，機身外部操作按鈕負責(zé)采煤機送電、啟動與停機，專用遙控器負責(zé)參數(shù)設(shè)置、牽引調(diào)速、截割割煤、搖臂升降等功能，監(jiān)測計算機負責(zé)監(jiān)測采煤機運行狀態(tài)和故障信息。此外，控制系統(tǒng)還應(yīng)具備自動定位、狀態(tài)監(jiān)測、自主割煤、無線通信、記憶截割等主要自動化控制功能，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對采煤機的自動化與智能化控制。電機溫度、搖臂傾角、油溫油位等信號通過傳感器傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集模塊當(dāng)中，各個模塊通過CAN 總線將運行數(shù)據(jù)和采集數(shù)據(jù)傳遞到主控模塊，再通過機載專用數(shù)據(jù)傳輸電纜將數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲擅簷C集控中心，此時視頻監(jiān)控系統(tǒng)、記憶割煤系統(tǒng)便能配合數(shù)據(jù)完成對采煤機的自動化與智能化控制[2]。

1.2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

1.2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

隨著采煤機在煤礦生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，其所面臨的工作環(huán)境和工作要求也越來越高，同時安全性也成為電控系統(tǒng)設(shè)計的重要考慮因素。因此需要對采煤機電控系統(tǒng)的硬件進行升級改造，以滿足更高的工作要求和更嚴格的安全標(biāo)準。

電控系統(tǒng)硬件的升級改造包括多個方面，主要分為主控制器、智能互感單元、溫度檢測單元、智能傳感器模塊單元、智能遙控接收器、電源模塊單元等。

（1）主控制器。主控制器實現(xiàn)對電氣系統(tǒng)所有單元及模塊的監(jiān)控功能，使用標(biāo)準工業(yè)通信協(xié)議與采煤機其他電氣單元與輸入輸出模塊進行通信，通信協(xié)議包括CAN、RS-485、RS-232 等。

（2）智能接觸器單元，其主要功能除了控制電機的啟停外，還具有測量油泵電機電流、截割電機電流、牽引變壓器電流的功能，采煤機集控中心在接收到這些數(shù)據(jù)之后，便能夠完成對電機、變壓器的短路、超溫、過載保護。

1．2．2 青少年心理韌性量表 該量表由胡月琴等［7］共同編制而成，共27個項目，包括個人力和支持力兩個因素，其中前者包含目標(biāo)專注、情緒控制和積極認知3個因子，后者包含家庭支持和人際協(xié)助2個因子，各因子相關(guān)系數(shù)在0．12～0．56之間，量表內(nèi)部一致性信度為0．83。個人力得分為目標(biāo)專注、情緒控制和積極認知3個因子得分相加；支持力得分為家庭支持和人際協(xié)助2個因子得分相加。該量表采用5點評分法，1級（完全不符合）、2級（比較不符合）、3級（說不清）、4級（比較符合）、5級（完全符合），各因子得分越高，表明其心理韌性水平越高，抗擊挫折的能力越強。

（3）溫度檢測單元的主要功能是測量油泵電機溫度、牽引電機溫度、截割電機溫度、牽引變壓器溫度、電控箱腔體溫度、油箱溫度，采煤機集控中心在接收到數(shù)據(jù)之后，便能夠顯示電機和變壓器的溫度，并且完成相應(yīng)保護。

（4）智能傳感器模塊單元，其主要功能是測量采煤機機身傾角傳感器、搖臂傾角傳感器、油壓傳感器、油位傳感器、齒輪傳感器、水流量傳感器、位置傳感器的模擬量和開關(guān)量，采煤機集控中心在接收到數(shù)據(jù)之后便能實現(xiàn)對智能傳感器連接設(shè)備的保護。

（5）智能遙控接收器，其主要功能是無線遙控采煤機完成升降采煤機滾筒、啟動和關(guān)閉油泵電機、設(shè)置采煤機運行參數(shù)等操作。

（6）電源模塊單元。電源模塊設(shè)計是電控系統(tǒng)改造的重要方面。采煤機的工作環(huán)境非常復(fù)雜，電源的穩(wěn)定性和可靠性直接關(guān)系到采煤機的正常工作。因此，需要采用高效、穩(wěn)定、可靠的電源模塊設(shè)計方案，以確保電控系統(tǒng)的穩(wěn)定供電和高效工作（圖1）。

圖1 采煤機電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

改造采用新型電子元器件，在性能、可靠性、壽命等方面有了顯著提升，可以滿足更高的工作要求和更嚴格的安全標(biāo)準。例如，針對高溫、高濕等極端工作環(huán)境，采用耐高溫、耐腐蝕等特殊材料制造的元器件，可以有效提高采煤機電控系統(tǒng)的可靠性。

此外，電路板設(shè)計也是電控系統(tǒng)硬件改造的重要環(huán)節(jié)之一。電路板的設(shè)計直接影響到采煤機電控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能，因此需要采用先進的電路板設(shè)計技術(shù)和工藝，提高電路板的可靠性和抗干擾能力。

1.2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，電控系統(tǒng)軟件設(shè)計與開發(fā)成為了提高采煤機生產(chǎn)效率和安全性的關(guān)鍵因素。在電氣控制系統(tǒng)軟件設(shè)計與開發(fā)過程中，需要開發(fā)采煤機電控系統(tǒng)的控制程序和算法，以實現(xiàn)更高效、更準確的控制。為此，需要采用新型編程語言和開發(fā)工具，結(jié)合先進的算法和技術(shù)，可以利用人工智能和機器學(xué)習(xí)等技術(shù)，對采煤機進行狀態(tài)監(jiān)測和預(yù)測，以提高采煤機的運行效率和安全性。通過采用先進的控制算法和技術(shù)，如自適應(yīng)控制、模糊控制、PID 控制等，可以實現(xiàn)對采煤機運動軌跡的更加準確的控制，從而提高采煤效率。此外，還可以采用圖像處理技術(shù)，開發(fā)采煤機的智能化視覺系統(tǒng)，以實現(xiàn)對采煤機周圍環(huán)境的實時監(jiān)測和識別。這有助于提高采煤機的安全性和作業(yè)效率，降低事故風(fēng)險。

1.2.3 電氣系統(tǒng)設(shè)計

改造過程中，應(yīng)遵循在不改變原有電控箱尺寸的情況下，對元器件的布局、電氣系統(tǒng)做合適調(diào)整的原則。調(diào)整部分主要包括：順槽控制臺、器件布局、通信拓撲、電氣線路、漏電故障監(jiān)測、遙控接收電路、采煤機保護電路、液壓控制回路、傳感器檢測回路、語音預(yù)警系統(tǒng)等。

改造后的采煤機電氣控制系統(tǒng)不僅在防爆、防塵和防水性能應(yīng)得到強化，也應(yīng)提高設(shè)備在礦井內(nèi)的安全性能，引入自動緊急停止功能，采煤機電氣控制系統(tǒng)自動判斷井下工作狀況，確保操作員和設(shè)備在突發(fā)狀況下的安全，同時還配置瓦斯檢測和消防設(shè)備，提高采煤機在復(fù)雜環(huán)境下的自保能力。

2 采煤機控制系統(tǒng)智能化

智能化控制是采煤機電控系統(tǒng)國產(chǎn)化改造項目中的一個重要方向，采用人工智能技術(shù)可以實現(xiàn)采煤機的自動控制和自適應(yīng)調(diào)節(jié)，從而減少人工干預(yù)，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。采煤機主要的智能化控制系統(tǒng)有機載自動控制技術(shù)、采煤機組遠程集控技術(shù)和記憶截割技術(shù)，其中：機載自動控制技術(shù)將研發(fā)和應(yīng)用先進的傳感器和控制器，通過采用人工智能技術(shù)，實現(xiàn)采煤機的自適應(yīng)調(diào)整和優(yōu)化截割參數(shù)，根據(jù)實時數(shù)據(jù)和環(huán)境條件，自動調(diào)整采煤機的工作狀態(tài)和控制策略，提高截割效率和設(shè)備壽命[3]；采煤機組遠程集控技術(shù)將構(gòu)建遠程集控系統(tǒng)，實現(xiàn)對采煤機、液壓支架和刮板輸送機等設(shè)備的實時監(jiān)控和調(diào)度，提高生產(chǎn)效率和管理水平（圖2）；記憶截割技術(shù)將開發(fā)采煤機的記憶截割系統(tǒng)，使其能夠自動識別煤層輪廓，根據(jù)預(yù)設(shè)的截割路徑進行精確截割，降低人工誤差和非生產(chǎn)性時間。通過實施這些智能化控制系統(tǒng)升級，進一步提高采煤機的生產(chǎn)效率、安全性和自動化水平[4]。

圖2 采煤機智能化自適應(yīng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 機載自動控制技術(shù)

機載自動控制技術(shù)能夠提高采煤機的效率和安全性，是智能自適應(yīng)控制的關(guān)鍵一環(huán)。它通過集成傳感器、控制器和執(zhí)行器，實現(xiàn)對采煤機的實時監(jiān)控和調(diào)控。其中，傳感器負責(zé)采集各種工作參數(shù)，如速度、力量和溫度等；控制器基于預(yù)設(shè)的算法分析這些參數(shù)，并根據(jù)需要生成相應(yīng)的控制信號；執(zhí)行器則根據(jù)控制信號調(diào)整采煤機的運行狀態(tài)。通過機載自動控制技術(shù)，采煤機可以自動調(diào)整截割速度和進給速度，適應(yīng)不同煤層的條件。此外，智能化自適應(yīng)控制系統(tǒng)還能自動識別異常情況并采取相應(yīng)措施，如降低速度或停止運行，以保護設(shè)備和人員安全。采用機載自動控制技術(shù)升級采煤機，可以降低人工成本、提高生產(chǎn)效率，同時確保操作安全。

2.2 機組遠程集控技術(shù)

采煤機組遠程集控技術(shù)通過先進的通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)對三機（采煤機、刮板運輸機、液壓支架）的集中監(jiān)控和協(xié)同控制。集控中心通過實時接收來自采煤機的各類工作參數(shù)，如截割速度、進給速度、設(shè)備溫度等，并對這些數(shù)據(jù)進行實時分析，根據(jù)預(yù)設(shè)的標(biāo)準和規(guī)則生成相應(yīng)的控制命令。此外，采煤機組遠程集控技術(shù)還能實時監(jiān)控設(shè)備的運行狀態(tài)、自動識別異常情況，并采取相應(yīng)的措施，如降低速度、停止運行或發(fā)送報警信號，這有助于確保設(shè)備和人員的安全，減少事故發(fā)生的風(fēng)險。通過采煤機組遠程集控技術(shù)，可以優(yōu)化資源分配，提高設(shè)備利用率，降低人工成本和維護成本，從而在巷道監(jiān)控中心和地面監(jiān)控室就能隨時了解采煤機的整機實時運行狀態(tài)。

2.3 記憶截割技術(shù)

在頂?shù)装遄兓幻黠@的煤層中，記憶截割法的使用效果較好，但是仍然需要由專門人員進行操作指引，需要智能學(xué)習(xí)后方可進行自動割煤。采煤機組記憶割煤技術(shù)利用傳感器、控制器和執(zhí)行器等組件，實時監(jiān)測和自動調(diào)整采煤機的工作參數(shù)，通過切割過程中的關(guān)鍵參數(shù)如切割深度、速度和力度等，系統(tǒng)能自動學(xué)習(xí)最佳的工作模式，從而為后續(xù)操作提供智能參考。采用記憶割煤技術(shù)能顯著提高采煤機的切割效率和煤炭產(chǎn)量，減少煤炭損失和能耗，同時降低對操作人員經(jīng)驗的依賴，減小工作強度、提高工作安全性。另外，該技術(shù)可有效降低設(shè)備故障率，延長設(shè)備使用壽命，降低維修成本[5]。

3 結(jié)論

中煤平朔集團已完成所有艾柯夫SL750 型采煤機電氣系統(tǒng)的國產(chǎn)化改造，取得了較好的應(yīng)用效果，對久益LW 系列采煤機的電氣系統(tǒng)國產(chǎn)化改造也將隨之開展。綜上所述，對舊式進口采煤機電氣系統(tǒng)進行國產(chǎn)化智能化改造，具有以下5 個優(yōu)勢：

（1）國產(chǎn)化方面，采用自主創(chuàng)新的硬件和軟件設(shè)計技術(shù)，實現(xiàn)采煤機電控系統(tǒng)的國產(chǎn)化和自主化，降低了系統(tǒng)的成本和依賴性。

（2）智能化控制方面，采用基于人工智能和機器學(xué)習(xí)的自適應(yīng)控制算法和技術(shù)，實現(xiàn)采煤機的自動化和智能化控制，提高了采煤機的生產(chǎn)效率和安全性。

（3）通信技術(shù)方面，采用更快速、更可靠的通信技術(shù)，實現(xiàn)采煤機與地面的數(shù)據(jù)傳輸和控制，從而提高采煤機的響應(yīng)速度和安全性。

（4）信息化管理方面，采用先進的數(shù)據(jù)采集、處理和分析技術(shù)，實現(xiàn)對采煤機運行狀態(tài)的實時監(jiān)測和管理，從而提高采煤機的管理效率和可靠性。

（5）安全監(jiān)測和預(yù)警方面，采用先進的傳感器技術(shù)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實現(xiàn)對采煤機運行過程中的安全風(fēng)險進行實時識別和預(yù)警，從而保障工人的生命安全。