蘇良碧,劉超華,李卓明
(中煤平朔發(fā)展集團(tuán)有限公司井工設(shè)備維修中心,山西朔州 036002)
通過對舊式進(jìn)口采煤機(jī)進(jìn)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(jī)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(jī)交互及安全性能等方面的升級優(yōu)化。通過引進(jìn)先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和制造工藝,可以提高舊式進(jìn)口采煤機(jī)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(jī)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(jìn)的傳感器技術(shù),實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的實(shí)時監(jiān)控、遠(yuǎn)程操作和智能調(diào)度,進(jìn)而降低人工成本、提高作業(yè)安全性和環(huán)保性能。
在采煤機(jī)電氣控制系統(tǒng)中,機(jī)身外部操作按鈕負(fù)責(zé)采煤機(jī)送電、啟動與停機(jī),專用遙控器負(fù)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(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)監(jiān)測采煤機(jī)運(yùn)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(jī)的自動化與智能化控制。電機(jī)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(yùn)行數(shù)據(jù)和采集數(shù)據(jù)傳遞到主控模塊,再通過機(jī)載專用數(shù)據(jù)傳輸電纜將數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲擅簷C(jī)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(jī)的自動化與智能化控制[2]。
1.2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
隨著采煤機(jī)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(jì)的重要考慮因素。因此需要對采煤機(jī)電控系統(tǒng)的硬件進(jìn)行升級改造,以滿足更高的工作要求和更嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)。
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(shí)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(zhǔn)工業(yè)通信協(xié)議與采煤機(jī)其他電氣單元與輸入輸出模塊進(jìn)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(jī)的啟停外,還具有測量油泵電機(jī)電流、截割電機(jī)電流、牽引變壓器電流的功能,采煤機(jī)集控中心在接收到這些數(shù)據(jù)之后,便能夠完成對電機(jī)、變壓器的短路、超溫、過載保護(hù)。
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(xiàng)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(rèn)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(rèn)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(diǎn)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(qiáng)。
(3)溫度檢測單元的主要功能是測量油泵電機(jī)溫度、牽引電機(jī)溫度、截割電機(jī)溫度、牽引變壓器溫度、電控箱腔體溫度、油箱溫度,采煤機(jī)集控中心在接收到數(shù)據(jù)之后,便能夠顯示電機(jī)和變壓器的溫度,并且完成相應(yīng)保護(hù)。
(4)智能傳感器模塊單元,其主要功能是測量采煤機(jī)機(jī)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(jī)集控中心在接收到數(shù)據(jù)之后便能實(shí)現(xiàn)對智能傳感器連接設(shè)備的保護(hù)。
(5)智能遙控接收器,其主要功能是無線遙控采煤機(jī)完成升降采煤機(jī)滾筒、啟動和關(guān)閉油泵電機(jī)、設(shè)置采煤機(jī)運(yùn)行參數(shù)等操作。
(6)電源模塊單元。電源模塊設(shè)計(jì)是電控系統(tǒng)改造的重要方面。采煤機(jī)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(jī)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(jì)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(jī)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(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)。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(jī)電控系統(tǒng)的可靠性。
此外,電路板設(shè)計(jì)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(jì)直接影響到采煤機(jī)電控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能,因此需要采用先進(jìn)的電路板設(shè)計(jì)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(jì)
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(jì)與開發(fā)成為了提高采煤機(jī)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(jì)與開發(fā)過程中,需要開發(fā)采煤機(jī)電控系統(tǒng)的控制程序和算法,以實(shí)現(xiàn)更高效、更準(zhǔn)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(jìn)的算法和技術(shù),可以利用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù),對采煤機(jī)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和預(yù)測,以提高采煤機(jī)的運(yùn)行效率和安全性。通過采用先進(jìn)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(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)運(yùn)動軌跡的更加準(zhǔn)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(jī)的智能化視覺系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)周圍環(huán)境的實(shí)時監(jiān)測和識別。這有助于提高采煤機(jī)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(jì)
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?fù)?、電氣線路、漏電故障監(jiān)測、遙控接收電路、采煤機(jī)保護(hù)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(jī)電氣控制系統(tǒng)不僅在防爆、防塵和防水性能應(yīng)得到強(qiáng)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(jī)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(jī)在復(fù)雜環(huán)境下的自保能力。
智能化控制是采煤機(jī)電控系統(tǒng)國產(chǎn)化改造項(xiàng)目中的一個重要方向,采用人工智能技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)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(jī)主要的智能化控制系統(tǒng)有機(jī)載自動控制技術(shù)、采煤機(jī)組遠(yuǎn)程集控技術(shù)和記憶截割技術(shù),其中:機(jī)載自動控制技術(shù)將研發(fā)和應(yīng)用先進(jìn)的傳感器和控制器,通過采用人工智能技術(shù),實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的自適應(yīng)調(diào)整和優(yōu)化截割參數(shù),根據(jù)實(shí)時數(shù)據(jù)和環(huán)境條件,自動調(diào)整采煤機(jī)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(jī)組遠(yuǎn)程集控技術(shù)將構(gòu)建遠(yuǎn)程集控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)、液壓支架和刮板輸送機(jī)等設(shè)備的實(shí)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(jī)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(jìn)行精確截割,降低人工誤差和非生產(chǎn)性時間。通過實(shí)施這些智能化控制系統(tǒng)升級,進(jìn)一步提高采煤機(jī)的生產(chǎn)效率、安全性和自動化水平[4]。
圖2 采煤機(jī)智能化自適應(yīng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
機(jī)載自動控制技術(shù)能夠提高采煤機(jī)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(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)的實(shí)時監(jiān)控和調(diào)控。其中,傳感器負(fù)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(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。通過機(jī)載自動控制技術(shù),采煤機(jī)可以自動調(diào)整截割速度和進(jìn)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(yùn)行,以保護(hù)設(shè)備和人員安全。采用機(jī)載自動控制技術(shù)升級采煤機(jī),可以降低人工成本、提高生產(chǎn)效率,同時確保操作安全。
采煤機(jī)組遠(yuǎn)程集控技術(shù)通過先進(jìn)的通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù),實(shí)現(xiàn)對三機(jī)(采煤機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)、液壓支架)的集中監(jiān)控和協(xié)同控制。集控中心通過實(shí)時接收來自采煤機(jī)的各類工作參數(shù),如截割速度、進(jìn)給速度、設(shè)備溫度等,并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時分析,根據(jù)預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則生成相應(yīng)的控制命令。此外,采煤機(jī)組遠(yuǎn)程集控技術(shù)還能實(shí)時監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)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(yùn)行或發(fā)送報(bào)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(jī)組遠(yuǎn)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(hù)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(jī)的整機(jī)實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)。
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(jìn)行操作指引,需要智能學(xué)習(xí)后方可進(jìn)行自動割煤。采煤機(jī)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(shí)時監(jiān)測和自動調(diào)整采煤機(jī)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(jī)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(yàn)的依賴,減小工作強(qiáng)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]。
中煤平朔集團(tuán)已完成所有艾柯夫SL750 型采煤機(jī)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(jī)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(jìn)口采煤機(jī)電氣系統(tǒng)進(jìn)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(jì)技術(shù),實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)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(jī)器學(xué)習(xí)的自適應(yīng)控制算法和技術(shù),實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的自動化和智能化控制,提高了采煤機(jī)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(shí)現(xiàn)采煤機(jī)與地面的數(shù)據(jù)傳輸和控制,從而提高采煤機(jī)的響應(yīng)速度和安全性。
(4)信息化管理方面,采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集、處理和分析技術(shù),實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測和管理,從而提高采煤機(jī)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(jìn)的傳感器技術(shù)和數(shù)據(jù)分析技術(shù),實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)運(yùn)行過程中的安全風(fēng)險進(jìn)行實(shí)時識別和預(yù)警,從而保障工人的生命安全。