孟　峰

（山東宏河礦業(yè)集團(tuán)有限公司橫河煤礦，山東 鄒城 273500）

分析采煤中自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用

孟峰

（山東宏河礦業(yè)集團(tuán)有限公司橫河煤礦，山東 鄒城 273500）

摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平的逐漸提高，工業(yè)發(fā)展技術(shù)也得到逐漸地提高和進(jìn)步，自動(dòng)化的生產(chǎn)技術(shù)得到越來(lái)越廣泛地應(yīng)用。特別是煤礦采煤中，為煤礦產(chǎn)業(yè)的安全穩(wěn)定發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文針對(duì)煤礦企業(yè)中自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)探討。

自動(dòng)化技術(shù)；煤礦采煤；應(yīng)用；分析研究

眾所周知，自動(dòng)化技術(shù)就是指機(jī)器在沒(méi)有人為操作或無(wú)人干預(yù)的情況下，按照實(shí)現(xiàn)預(yù)定的指令或程序?qū)^(guò)程或莫操作進(jìn)行控制的過(guò)程。在我國(guó)，煤炭行業(yè)是我國(guó)的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，隨著科技水平以及工業(yè)水平的突飛猛進(jìn)，我國(guó)煤炭行業(yè)為了滿足競(jìng)爭(zhēng)需要也逐漸向自動(dòng)化方向發(fā)展。煤礦資源是現(xiàn)今資源產(chǎn)業(yè)中較為傳統(tǒng)的資源，作為一項(xiàng)重要的且不可再生的能源，為社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步提供了動(dòng)力和奠定了基礎(chǔ)。人工開(kāi)采煤礦不僅生產(chǎn)效率低下，而且安全系數(shù)較低。因此，自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用使得煤礦企業(yè)的生產(chǎn)效率得到了提高，并且加快了技術(shù)革新的速度，從而使得整個(gè)煤礦的產(chǎn)業(yè)鏈得以升級(jí)。接下來(lái)本文將從自動(dòng)化技術(shù)在煤礦采煤中的應(yīng)用以及相關(guān)技術(shù)的關(guān)鍵控制這兩個(gè)方面來(lái)展開(kāi)分析和研究。

一、煤礦自動(dòng)化系統(tǒng)主要控制方式

煤礦自動(dòng)化系統(tǒng)的主要控制方式包括4種：恒壓頻比控制、轉(zhuǎn)差率控制、矢量控制以及直接轉(zhuǎn)矩控制。下面針對(duì)這4種控制方式進(jìn)行一一論述。

1.恒壓頻比（V/F）控制

恒壓頻比主要是指利用異步電機(jī)基本相同的電壓與頻率比值，來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)煤礦電機(jī)的目的。恒壓頻比具有流程簡(jiǎn)單、操作方便、易于辨識(shí)等優(yōu)點(diǎn)。恒壓頻比控制方式屬于開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)方法，其輸出值較為穩(wěn)定，不易受到其他情況的擾動(dòng)和影響。因此一般在要求穩(wěn)定度較高的裝置會(huì)采取恒壓頻比的控制方式，但是這種方法只適用于類似風(fēng)機(jī)、水泵等精度要求較低的煤礦設(shè)備，對(duì)于精度要求較高的設(shè)備一般運(yùn)用矢量控制等方式。

2.轉(zhuǎn)差率控制

轉(zhuǎn)差率控制主要是依賴于電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)差率，通過(guò)改變其大小來(lái)引起電機(jī)轉(zhuǎn)速大小變化的控制方式。轉(zhuǎn)差率控制方式主要是通過(guò)改變電機(jī)的定子電壓和轉(zhuǎn)子的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。與恒壓頻比控制方式類似，轉(zhuǎn)差率控制方式主要適用于電機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模型以及運(yùn)行規(guī)律較為穩(wěn)定的情況下，因此一般比較適用于控制小功率電機(jī)或者電機(jī)轉(zhuǎn)速較慢的情況。但是由于點(diǎn)擊內(nèi)部磁場(chǎng)處于不穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)當(dāng)中，因此很難用這兩種方式來(lái)控制其位置和大小，一般只能實(shí)現(xiàn)精確控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，對(duì)于轉(zhuǎn)矩控制則差強(qiáng)人意。

3.矢量控制（VC）

矢量控制主要是依賴于異步電動(dòng)機(jī)定子的電流矢量，通過(guò)控制和測(cè)量其電流矢量變化，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別控制異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。矢量控制方法的提出具有劃時(shí)代的意義，是目前煤礦自動(dòng)化及控制系統(tǒng)中相對(duì)比較先進(jìn)的控制方式之一。矢量控制的實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，分別對(duì)速度，磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過(guò)控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。

4.直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)屬于目前一種新型交流異步電機(jī)控制技術(shù)，其主要理論依據(jù)是矢量控制理論。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)不僅要進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變化和電機(jī)數(shù)學(xué)模型，也不需要考慮變量解耦等問(wèn)題，而是直接控制電磁轉(zhuǎn)矩，但是由于直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的低速下轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)以及啟動(dòng)時(shí)的電流較大等原因限制其適用于兆瓦級(jí)的大功率電牽采煤設(shè)備。

二、自動(dòng)化技術(shù)在煤礦采煤中的應(yīng)用

煤礦采煤過(guò)程主要涉及煤礦的開(kāi)采、挖掘以及礦井提升這3個(gè)重要環(huán)節(jié)，因此在這3個(gè)環(huán)節(jié)中應(yīng)用優(yōu)化自動(dòng)化技術(shù)可以大幅度地提高生產(chǎn)效率，且切實(shí)可靠地保障相關(guān)人員的生命安全。

1.在采煤環(huán)節(jié)的應(yīng)用

作為煤礦企業(yè)中最主要的環(huán)節(jié)，采煤技術(shù)的優(yōu)化應(yīng)用與否直接影響著煤礦的生產(chǎn)效率。因此，在采煤環(huán)節(jié)中應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)可以有效提高煤礦的生效效率，并且也可保障整個(gè)采煤工序的安全穩(wěn)定。電牽引采煤機(jī)具有良好的工作性能，且具有操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。因此，在煤礦采煤環(huán)節(jié)中得到較為廣泛的應(yīng)用。電牽引采煤機(jī)最大的優(yōu)勢(shì)是可以在無(wú)人駕駛的情況下根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序，并完成相應(yīng)的工作。

2.在煤礦挖掘中的應(yīng)用

煤礦挖掘工作是開(kāi)采煤礦資源最根本的基礎(chǔ)，因此煤礦挖掘環(huán)節(jié)對(duì)整個(gè)煤礦企業(yè)的影響也尤為重要，挖掘技術(shù)的改進(jìn)和革新對(duì)后續(xù)工作的影響作用也很大。在煤礦挖掘中采用自動(dòng)化技術(shù)可以有效提高整個(gè)煤礦企業(yè)的采礦效率，同時(shí)使生產(chǎn)過(guò)程中的安全系數(shù)得到很大提升。煤礦挖掘中自動(dòng)化技術(shù)的使用最廣泛的是掘進(jìn)機(jī)。掘進(jìn)機(jī)具有操作更加安全且采用自動(dòng)化系統(tǒng)，可以有效提高生產(chǎn)效率、縮短工作周期以及節(jié)省時(shí)間等。

3.在礦井提升中的應(yīng)用

礦井提升就是指將煤礦開(kāi)采出來(lái)后運(yùn)至地面的過(guò)程。礦井提升環(huán)節(jié)主要關(guān)系到煤礦企業(yè)的生產(chǎn)效率以及相關(guān)礦工人員的安全。因此，采用優(yōu)化的自動(dòng)化技術(shù)可以有效地提高生產(chǎn)效率，且降低了對(duì)相關(guān)人員的危險(xiǎn)系數(shù)。自動(dòng)化技術(shù)不僅具有操作方便快捷的優(yōu)勢(shì)，而且可以提高生產(chǎn)操作過(guò)程中的安全系數(shù)，因此，在礦井提升環(huán)節(jié)中也得到了廣泛的應(yīng)用。

三、自動(dòng)化技術(shù)在煤礦采煤中應(yīng)注意的關(guān)鍵點(diǎn)

自動(dòng)化技術(shù)在煤礦采煤中的應(yīng)用較為廣泛，但是該如何保證其相關(guān)性能的穩(wěn)定且運(yùn)行正常呢？可從變速器試驗(yàn)臺(tái)、驅(qū)動(dòng)設(shè)備、加載裝置以及分析發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)速度數(shù)據(jù)這4個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)設(shè)定關(guān)鍵控制點(diǎn)，提供煤礦企業(yè)長(zhǎng)足有效的發(fā)展。

1.試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)及總體布置

變速器試驗(yàn)臺(tái)是一個(gè)綜合了機(jī)械、電氣、液壓原理的機(jī)電系統(tǒng)。其具體工作原理是驅(qū)動(dòng)電機(jī)連續(xù)輸入額定轉(zhuǎn)速和扭矩，以模擬變速器在煤礦采煤工作中的輸入工況。為達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，在驅(qū)動(dòng)機(jī)后往往要安裝一個(gè)升速齒輪箱來(lái)解除驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速的限制。為了更接近礦區(qū)采煤的真實(shí)工況，在變速器輸入端增加一個(gè)慣量盤(pán)，其旋轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與在離合器飛輪和傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相同。試驗(yàn)臺(tái)的末端是加載裝置及其匹配的冷卻系統(tǒng)，它能給變速器施加阻力矩，以模擬設(shè)備采煤時(shí)的負(fù)載和道路阻尼。

2.驅(qū)動(dòng)設(shè)備的選擇

作為操作系統(tǒng)和輸入輸出設(shè)備的連接器，驅(qū)動(dòng)設(shè)備的主要作用是給實(shí)驗(yàn)變速器輸入試驗(yàn)過(guò)程所需的轉(zhuǎn)速和扭矩，其動(dòng)力主要來(lái)源于內(nèi)燃機(jī)或電動(dòng)機(jī)。內(nèi)燃機(jī)具有操作更加接近實(shí)際的優(yōu)點(diǎn)，但易產(chǎn)生廢氣和噪聲污染，且轉(zhuǎn)速和扭矩不易操作控制。電動(dòng)機(jī)具有噪音小、占地面積小、啟停方便、無(wú)污染、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，因此在煤礦傳動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備上得到較為廣泛的應(yīng)用。

3.加載裝置的選擇

加載裝置在整個(gè)采煤操作過(guò)程的作用主要是為被測(cè)變速器施加負(fù)載轉(zhuǎn)矩，現(xiàn)今應(yīng)用最為廣泛的設(shè)備是測(cè)功機(jī)。測(cè)功機(jī)一般用于測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，也可作為齒輪箱、減速機(jī)、變速箱試驗(yàn)設(shè)備的負(fù)載裝置。測(cè)功機(jī)主要分為水力測(cè)功機(jī)、電渦流測(cè)功機(jī)以及電力測(cè)功機(jī)。電力測(cè)功機(jī)利用電機(jī)測(cè)量各種動(dòng)力機(jī)械軸上輸出的轉(zhuǎn)矩，并結(jié)合轉(zhuǎn)速確定功率。目前采礦企業(yè)主要采用電渦流測(cè)功機(jī)，利用渦流產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩來(lái)測(cè)量機(jī)械轉(zhuǎn)矩。電渦流測(cè)功機(jī)主要是由電磁滑差離合器、測(cè)力計(jì)和測(cè)速發(fā)電機(jī)構(gòu)成，一般用于測(cè)量轉(zhuǎn)速上升而轉(zhuǎn)速下降，或轉(zhuǎn)矩變化而轉(zhuǎn)速基本不變的動(dòng)力機(jī)械。

4.發(fā)動(dòng)機(jī)速度特性分析

本文選用交流異步電機(jī)作為試驗(yàn)臺(tái)架的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)變速器及負(fù)載機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)建立起自動(dòng)化采煤系統(tǒng)模型。所選用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)能完全覆蓋被測(cè)變速器所匹配采煤設(shè)備發(fā)動(dòng)機(jī)的全部性能和運(yùn)行工況，同時(shí)還應(yīng)具備轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)能力。為使最終相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)更為穩(wěn)定和準(zhǔn)確，有關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)的速度性能要符合要求。

結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)化技術(shù)在煤礦采煤中的應(yīng)用，對(duì)煤礦企業(yè)的發(fā)展起到了支撐的作用，也是煤礦企業(yè)信息化建設(shè)的關(guān)鍵。雖然自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用在現(xiàn)實(shí)操作中還是存在一些問(wèn)題，但是我相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)必將不斷被完善，使煤礦采煤工作更加優(yōu)化。為有效提高煤礦產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)效率，保障人員的生命安全，煤礦采煤技術(shù)就要不斷地改進(jìn)和革新。自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用可幫助煤礦企業(yè)的信息化建設(shè)，因此，為提高自動(dòng)化技術(shù)水平，不僅要完善相關(guān)工作，還要不斷地創(chuàng)新和發(fā)展，我們?nèi)沃囟肋h(yuǎn)。我堅(jiān)信，社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步終將使煤礦產(chǎn)業(yè)更加穩(wěn)定和安全。

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