蘇驥

摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人們的生活對于煤炭資源需求量日益增長，為此，我國廣泛開展煤炭資源開采工作。為保證煤炭生產(chǎn)質(zhì)量與效率，需對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造升級，建立高效的生產(chǎn)線，保證經(jīng)濟(jì)效益。本文以煤炭生產(chǎn)中的機(jī)電一體化數(shù)控技術(shù)應(yīng)用為例進(jìn)行分析，首先闡述了機(jī)電一體化數(shù)控技術(shù)概念，其次總結(jié)了常見的一體化數(shù)控技術(shù)類型及對煤礦生產(chǎn)的影響，然后結(jié)合實(shí)例對此類技術(shù)的具體應(yīng)用進(jìn)行論述，以供類似工程建設(shè)與優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：煤炭開采；機(jī)電一體化；安全監(jiān)控

中圖分類號：TD67 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1004-7344（2018）20-0234-02

引 言

煤礦產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)量與作業(yè)效率對于國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著直接影響，若在煤礦生產(chǎn)中投入機(jī)電一體化數(shù)控技術(shù)，則可以減少人工勞動(dòng)量，提升煤礦產(chǎn)業(yè)效率，煤礦的開采質(zhì)量也回得到提升。當(dāng)前，我國煤礦開發(fā)中已經(jīng)大量投入了機(jī)電一體化數(shù)控技術(shù)，在為煤礦開采質(zhì)量提升奠定基礎(chǔ)的同時(shí)，在機(jī)械維護(hù)、安裝與使用等多個(gè)方面也起到了積極作用[1]。

2 機(jī)電一體化數(shù)控技術(shù)概述

當(dāng)前，煤礦開采中機(jī)電一體化數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，影響較大。機(jī)電一體化數(shù)控技術(shù)為電子技術(shù)、液壓技術(shù)和機(jī)械技術(shù)的綜合體，在煤礦機(jī)械操作過程中，為保證設(shè)備性能正常，需合理設(shè)置設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，為保證實(shí)際生產(chǎn)中，機(jī)械安裝與拆卸安全便捷，需為其提供充足的技術(shù)支撐，大幅提升煤礦機(jī)械的工作效率，最大發(fā)揮設(shè)備的利用價(jià)值，延長設(shè)備的使用壽命。此外，當(dāng)前煤礦生產(chǎn)中的設(shè)備控制是以微電子技術(shù)為核心的，這種現(xiàn)代化的控制系統(tǒng)運(yùn)行效率較高，在煤礦生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、機(jī)械故障診斷、分析與警報(bào)等多個(gè)方面均具有較大應(yīng)用價(jià)值。

3 機(jī)電一體化數(shù)控技術(shù)在煤礦機(jī)械中的應(yīng)用

3.1 在機(jī)械綜合協(xié)調(diào)中的應(yīng)用

因煤礦開采環(huán)境復(fù)雜，設(shè)備運(yùn)行難度較高，開采時(shí)需要多種設(shè)備綜合運(yùn)行完成牽引與挖掘的工作，在其過程中會(huì)產(chǎn)生較大能耗。采用繼電一體化數(shù)控技術(shù)在減少能耗的同時(shí)可以提升能源的利用率。例如，在牽引過程中，傳統(tǒng)煤礦生產(chǎn)是采用液壓牽引方式，而現(xiàn)代化數(shù)控技術(shù)應(yīng)用中變更為電力牽引，這種牽引方式大力提升了機(jī)械使用的效率，而運(yùn)行調(diào)控的靈活性更強(qiáng)。

3.2 在技術(shù)設(shè)備運(yùn)行中的應(yīng)用

這里以采煤機(jī)為例進(jìn)行分析。采煤機(jī)是煤礦機(jī)電一體化數(shù)字技術(shù)中最為常見的設(shè)備，與傳統(tǒng)采煤設(shè)備相較，機(jī)電一體化采煤機(jī)的優(yōu)勢體現(xiàn)在：①機(jī)電一體化采煤機(jī)的牽引性更佳，在設(shè)備運(yùn)行過程中可提供較大的牽引力，與設(shè)備運(yùn)行阻力相互抵消，保證牽引順利，在采煤機(jī)下滑過程中也可以發(fā)電制動(dòng)，經(jīng)機(jī)械電力輸送至電網(wǎng)中；②支持大斜度作業(yè)，若傾斜度較大，則機(jī)械運(yùn)行過程中易出現(xiàn)下滑，采用新型采煤機(jī)，制動(dòng)力為標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)的1.5～2倍，在傾斜度為40°的情況下無需設(shè)置防滑設(shè)施[2]；③機(jī)電一體化采煤機(jī)運(yùn)行更加穩(wěn)定與安全，對于后期的維護(hù)要求較低，長期使用后磨損嚴(yán)重的多為電刷或整流設(shè)備，其他零部件損壞較少，也不會(huì)影響機(jī)電系統(tǒng)的整體運(yùn)行；④機(jī)械控制度更高，對于系統(tǒng)運(yùn)行故障的反應(yīng)及處理速度較快，充分發(fā)揮了設(shè)備的動(dòng)態(tài)優(yōu)勢，可有效避免采煤機(jī)過載問題的出現(xiàn)；⑤系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)較為簡單，工作效果良好，傳動(dòng)裝置上傳統(tǒng)機(jī)組的轉(zhuǎn)換效率為70%，而機(jī)電一體化采煤機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率為99%。

3.3 在安全生產(chǎn)監(jiān)控檢測中的應(yīng)用

當(dāng)前煤礦企業(yè)多應(yīng)用第三代生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，為時(shí)分制主從式煤礦監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)中地面監(jiān)控中心中設(shè)置的監(jiān)控設(shè)備多采用RS232或者是局域網(wǎng)形式與局域網(wǎng)或?yàn)g覽器相連接實(shí)現(xiàn)信息互動(dòng)。礦井監(jiān)控分站、子系統(tǒng)和地面監(jiān)控中心基于主從形式保證各子系統(tǒng)信息傳送及時(shí)。系統(tǒng)中多機(jī)通信方式中只設(shè)置有1個(gè)主機(jī)，其他均為從機(jī)，但是系統(tǒng)運(yùn)行效率會(huì)受機(jī)組整體運(yùn)營規(guī)模的影響。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，煤礦生產(chǎn)范圍擴(kuò)大，開采深度提高，安全監(jiān)控難度增加。由此，第三代生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的弊端日益凸顯。

當(dāng)前，國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局發(fā)布了《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)要求（AQ6201）》，對于新市場環(huán)境下的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控提出了新的要求[3]，詳細(xì)如下：系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)當(dāng)層次分明，合理劃分功能模塊；及時(shí)更新系統(tǒng)軟件，保證信息處理能力良好；和Internet/Intranet平臺(tái)無縫連接，建立統(tǒng)一的信息網(wǎng)絡(luò)，及時(shí)發(fā)布煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控信息，煤礦企業(yè)可及時(shí)查詢和下載。與此同時(shí)，隨著現(xiàn)場總線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的日益完善，煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)采用了高速工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術(shù)相結(jié)合的方式，建立了如圖1所示的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)方案。

4 實(shí)例分析

某煤礦企業(yè)下山的煤層傾角日益增大，傳統(tǒng)采煤機(jī)以及安全監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足當(dāng)前的生產(chǎn)及管理要求。2010年該企業(yè)采購了MG-160/380-W型采煤機(jī)，與液壓牽引相較而言，其優(yōu)勢體現(xiàn)在：①牽引優(yōu)勢突出；②可用于大傾角煤層；③運(yùn)行可控性與可靠性俱佳；④反應(yīng)靈敏、動(dòng)態(tài)特性好；⑤結(jié)構(gòu)簡單、效率高。該企業(yè)在2014年因認(rèn)識(shí)到原有生產(chǎn)機(jī)電設(shè)備存在缺陷，聯(lián)合高校和科研機(jī)構(gòu)對現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行了改造。該企業(yè)建立了15#厚煤層全自動(dòng)化開采生產(chǎn)系統(tǒng)，月生產(chǎn)量達(dá)100598t，綜采也順利通過了4.2m、6.5m。下面對該企業(yè)2014年的設(shè)備改造內(nèi)容及改造后機(jī)電一體化的運(yùn)行效果進(jìn)行論述：

4.1 風(fēng)機(jī)變頻改造

該企業(yè)采用風(fēng)機(jī)變頻改造主要表現(xiàn)在用變頻器直接控制風(fēng)機(jī)。通過設(shè)置于變頻器內(nèi)部的PID軟件，對電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度和風(fēng)量進(jìn)行控制。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)恒壓及恒流量的控制效果，優(yōu)化了現(xiàn)有機(jī)電系統(tǒng)的節(jié)能效果。

由上述公式可知風(fēng)機(jī)流量和轉(zhuǎn)速一次方為正比例關(guān)系，壓力與轉(zhuǎn)速的二次方為正比例關(guān)系，軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方為正比例關(guān)系。由此可知最佳運(yùn)行情況下功率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系如表1所示。

由表1可知，當(dāng)流量下降時(shí)，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)，可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。

該企業(yè)對機(jī)電系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造后，運(yùn)行質(zhì)量和節(jié)能效果大幅提升，從數(shù)控層面來說，其變頻改造后的運(yùn)行優(yōu)勢具體體現(xiàn)在：①調(diào)控電位器旋鈕可調(diào)控風(fēng)量；②不對現(xiàn)有的配電與運(yùn)行環(huán)境造成不利影響；③減少噪音；④具有過載、欠壓、過壓、過流等保護(hù)功能；⑤真正實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，聯(lián)合自控設(shè)備進(jìn)行電氣連鎖與計(jì)算機(jī)控制。

4.2 安全監(jiān)控改造

這里以該企業(yè)礦井提升機(jī)安全監(jiān)控與評價(jià)為例進(jìn)行分析，本次改造基于“人機(jī)操控界面”思想，加強(qiáng)了人機(jī)操控界面的功能。

根據(jù)人機(jī)一體化數(shù)控技術(shù)構(gòu)建了操作系統(tǒng)安全評估體系，確定了具體的評價(jià)指標(biāo)和評價(jià)比重，如表2所示。

如表2，目標(biāo)層、評價(jià)指標(biāo)層、單項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)分別為頂層評價(jià)指標(biāo)、中層評價(jià)指標(biāo)和各環(huán)節(jié)細(xì)化后的底層評價(jià)指標(biāo)。

依據(jù)表1建立三層級指標(biāo)評價(jià)體系，這里假設(shè)煤礦下井開采采用的人機(jī)操控界面評價(jià)指標(biāo)為Nij，為物元矩陣，即R=（Nij，Xs，f（Xs））。

式中，Xs——評價(jià)指標(biāo)Nij的S項(xiàng)底層評價(jià)指標(biāo)，即X1，X2，X3，…，Xs，與表1中各項(xiàng)指標(biāo)要素Nij相互對應(yīng)。由此得出f（X1），f（X2），f（X3），…f（Xs）各底層單項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)對應(yīng)的量值。然后，經(jīng)過測算得出的指標(biāo)量構(gòu)成了一個(gè)復(fù)合元矩陣，為R′，可表示為：

通過指標(biāo)量處理后，依據(jù)對各目標(biāo)指標(biāo)評價(jià)得出安全監(jiān)控評估結(jié)果。以百分制為例，就人機(jī)一體化機(jī)械操作界面進(jìn)行安全評價(jià)，量化處理后得到的數(shù)值接近100，由此表明該機(jī)械設(shè)備操作界面和內(nèi)部元件的設(shè)計(jì)符合標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求。實(shí)踐證明，該界面的應(yīng)用有效降低了人為失誤引發(fā)的機(jī)械故障和人員傷亡。

5 結(jié)束語

綜上所述，煤礦機(jī)械是保證煤礦企業(yè)生產(chǎn)正常運(yùn)行、維護(hù)作業(yè)人員人身安全的關(guān)鍵所在，其運(yùn)行性能的高低與煤礦企業(yè)的生產(chǎn)效率直接掛鉤。為此，煤礦企業(yè)需增加煤礦機(jī)一體化數(shù)控技術(shù)的經(jīng)濟(jì)投入，積極更新，大力推廣，突破傳統(tǒng)生產(chǎn)及監(jiān)管模式的限制，實(shí)現(xiàn)煤礦企業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展轉(zhuǎn)型。

參考文獻(xiàn)

[1]閆小飛，呂燕飛，彭 芳.試論我國煤礦機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和展望[J].科技風(fēng)，2015，08（2）：140.

[2]程和花.淺談煤礦機(jī)電一體化產(chǎn)品在煤炭生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)業(yè)家，2012，13（15）：326.

[3]朱明輝.煤礦機(jī)電一體化技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用探討[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014，08（26）：96.

收稿日期：2018-5-29

作者簡介：蘇 驥（1970-），男，工程師，大專，主要從事市場營銷工作。