智能制造理念在煤機(jī)裝備領(lǐng)域的應(yīng)用分析
——以采煤機(jī)自動化技術(shù)研究與應(yīng)用為例

王紫民

（山西工程技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，山西 陽泉045000）

0 引言

智能制造，源于人工智能的研究，自我國提出《中國制造2025》強(qiáng)國戰(zhàn)略后，智能制造被推到了前沿，智能制造工程作為制造領(lǐng)域關(guān)鍵工程，同時作為新一代信息技術(shù)與制造裝備融合的創(chuàng)新工程，它不僅是兩化深度融合的突破口，更是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+的切入點(diǎn)，預(yù)計未來20年，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可帶來3萬億美元的GDP增量，企業(yè)效率提高20%，成本降低20%，節(jié)能減排下降10%?？梢哉f智能制造預(yù)示了新的工業(yè)革命，標(biāo)志著我國制造業(yè)正式向高質(zhì)量、高水平邁進(jìn)。

煤炭作為我國支柱型能源之一，目前仍占國內(nèi)能源市場的70%，煤炭開采的高效性、綠色性早已成為國家能源開發(fā)的硬性要求，這就需要我國煤機(jī)裝備具備新技術(shù)適應(yīng)環(huán)保趨勢。就目前來說，我國煤機(jī)裝備經(jīng)過“十一五”、“十二五”的規(guī)劃，發(fā)展迅速。例如液壓支架、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)產(chǎn)品型號齊全，已達(dá)國際水平。在采掘成套裝備、短壁開采成套裝備，洗選成套裝備等，部分產(chǎn)品整機(jī)性能及總體參數(shù)也已達(dá)國際先進(jìn)水平。為了使煤機(jī)裝備領(lǐng)域有更高的發(fā)展，我國煤機(jī)制造積極響應(yīng)《中國制造2025-能源裝備實(shí)施方案》要求，以全面打造煤機(jī)裝備的智能制造[1]。

1 智能制造在煤機(jī)裝備領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著我國煤炭工業(yè)的快速發(fā)展，現(xiàn)代化煤機(jī)向著大型化、自動化趨勢發(fā)展。年產(chǎn)千萬噸以上的高端智能綜采設(shè)備需求量越來越大，煤機(jī)裝備在智能制造產(chǎn)業(yè)政策的扶持下發(fā)展迅速。

1.1 自動化技術(shù)的應(yīng)用

煤機(jī)自動化技術(shù)在煤炭開采中的應(yīng)用，有效提高了勞動生產(chǎn)率，提升安全性。采煤機(jī)由液壓驅(qū)動發(fā)展到電牽引，就是機(jī)電一體化技術(shù)的主要應(yīng)用。電牽引采煤機(jī)能提供更大的牽引力，動態(tài)性良好，整機(jī)更高效，可靠性好，磨損小，軸端配有停電功能，有效解決了生產(chǎn)中的滑動問題，在下滑過程中還能發(fā)電制動，節(jié)約能源的同時，更能在大傾角煤層中牽引移動。

安全生產(chǎn)檢測中，設(shè)立了溫度、濕度、瓦斯等檢測裝置，利用光纖連接上位機(jī)，對礦井中的環(huán)境因素進(jìn)行監(jiān)測，數(shù)據(jù)異常時觸動警報，及時提醒井下作業(yè)人員，提高安全生產(chǎn)，確保人身安全。

運(yùn)輸系統(tǒng)中，煤炭膠帶運(yùn)輸機(jī)的自動化技術(shù)，使用PLC作為主控單元，使用PROFIBUS總線的通訊方式，及時監(jiān)測運(yùn)輸機(jī)上煤炭高度，膠帶是否跑偏、打滑等，設(shè)備卡死時不用停工，直接啟用備用設(shè)備。開發(fā)的帶式輸送機(jī)動態(tài)分析技術(shù)，為帶式輸送機(jī)的啟停、張緊提供依據(jù)，優(yōu)化輸送機(jī)運(yùn)行性能。

還有起支護(hù)防護(hù)的電液控制支架，可實(shí)現(xiàn)自動移架或定壓反向鄰架，提高負(fù)載控制效果。

1.2 智能機(jī)器人在煤機(jī)裝備系統(tǒng)中的應(yīng)用

智能制造涵蓋智能制造裝備、智能系統(tǒng)、智能服務(wù)等。在煤機(jī)制造領(lǐng)域，高端成套裝備自動焊接機(jī)器人的應(yīng)用，保障了煤機(jī)裝備焊接的穩(wěn)定性和質(zhì)量的一致性；在采掘系統(tǒng)中，基于電液比例控制的機(jī)器人鉆臂智能系統(tǒng)，可以取代傳統(tǒng)人工作業(yè)，提升井下作業(yè)安全性；在服務(wù)系統(tǒng)中，煤礦井下瓦斯智能巡檢機(jī)器人[2]，能有效監(jiān)測礦井中瓦斯含量，提高了巡檢效率和精度，智能煤炭采樣機(jī)器人[3]，提高采樣效率，實(shí)現(xiàn)智能判斷及無人值守的動態(tài)采樣，智能清倉機(jī)器人在煤礦中的應(yīng)用[4]，實(shí)現(xiàn)礦用清倉設(shè)備智能化、自動化，提高倉庫清理效率。此外，還有支護(hù)機(jī)器人、鑿巖機(jī)器人、裝載機(jī)器人、采煤機(jī)器人、煤礦救援機(jī)器人等，煤機(jī)裝備系統(tǒng)機(jī)器人被大量應(yīng)用在危險工種及繁重崗位，解放了生產(chǎn)率，提升安全系數(shù)[5]。

1.3 煤機(jī)裝備與信息技術(shù)的融合

智能制造是制造技術(shù)和信息技術(shù)的結(jié)合。針對煤機(jī)生產(chǎn)領(lǐng)域主要體現(xiàn)在：（1）生產(chǎn)過程智能化。例如，我國開發(fā)的適應(yīng)性煤機(jī)生產(chǎn)柔性化車間，以訂單為導(dǎo)向生產(chǎn)模式，特點(diǎn)是批量小，生產(chǎn)環(huán)節(jié)多，要求制造離散化、工藝柔性化，如對此開發(fā)的“電液控閥芯柔性自動化裝配生產(chǎn)線”柔性制造系統(tǒng)等。（2）產(chǎn)品智能化。將信息技術(shù)，即芯片、傳感器、儀表、軟件集成到煤機(jī)裝備，使產(chǎn)品具備動態(tài)存儲、感知和通信能力，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品可追溯、可識別、可定位。（3）管理智能化。構(gòu)件煤機(jī)生產(chǎn)車間智能物流系統(tǒng)，并將分布式數(shù)控系統(tǒng)連接多個數(shù)控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)控生產(chǎn)及管理。（4）服務(wù)智能化。實(shí)現(xiàn)煤機(jī)裝備在線監(jiān)測、遠(yuǎn)程診斷及云服務(wù)功能等[6]。

2 采煤機(jī)自動化技術(shù)研究與應(yīng)用

采煤機(jī)作為煤機(jī)領(lǐng)域最重要的裝備之一，其智能化程度在一定程度上可以反映我國煤炭開采技術(shù)的先進(jìn)性。

2.1 慣導(dǎo)技術(shù)在采煤機(jī)中的應(yīng)用

慣性導(dǎo)航技術(shù)簡稱慣導(dǎo)技術(shù)，在航空航天領(lǐng)域普遍應(yīng)用。它是一種不依賴外部信息，也不向外輻射能量的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)?；驹硎且耘ｎD力學(xué)定律為基礎(chǔ)，通過測量載體在慣性參考系的加速度，再通過數(shù)值計算得到速度和位移。慣導(dǎo)技術(shù)能提供位置、速度及姿態(tài)角數(shù)據(jù)，將其應(yīng)用與采煤機(jī)中，可實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的位置定位（如采煤機(jī)工作面相對位置的確定）、姿態(tài)定位（搖臂高度及俯仰角及工作面傾角等），進(jìn)而對其實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.2 采煤機(jī)記憶截割功能的實(shí)現(xiàn)

采煤機(jī)滾筒的自動記憶調(diào)高是自動化采煤工藝的重要環(huán)節(jié)，其能夠保證煤炭的質(zhì)量和設(shè)備的可靠性。智能化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對采煤機(jī)運(yùn)行工作的行程位置、滾筒的高度位置、采煤機(jī)的運(yùn)行姿態(tài)和牽引方向速度等信息數(shù)據(jù)的記錄和分析，能找出最優(yōu)的截割路徑，然后啟動記憶截割模式。

煤層高度發(fā)生變化時，采煤機(jī)滾筒高度也應(yīng)適時變化。采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)由搖臂、滾筒、油缸、液壓泵及控制系統(tǒng)構(gòu)成。拉線傳感器，機(jī)身中部有傾角傳感器，截割電機(jī)上還有電流互感裝置，這些傳感器都由PLC控制。自動調(diào)高原理為預(yù)先在可編程控制器中輸入滾筒高度，在升高過程中拉線傳感器感應(yīng)油缸伸縮量，傾角傳感器反饋爬坡角度，數(shù)據(jù)傳回可編程控制器中處理后，轉(zhuǎn)化為搖臂升高量。當(dāng)截割部觸碰到巖石時，電流互感器輸出一脈沖到PLC中，油缸停止供油，搖臂到達(dá)新的高度。采煤機(jī)的工作系統(tǒng)在智能系統(tǒng)的控制下自動跟蹤第一刀的截割路徑，實(shí)現(xiàn)了截割過程的自動化[7]。

2.3 采煤機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控及故障診斷技術(shù)

2.3.1 基于CAN總線的遠(yuǎn)距離通訊控制技術(shù)

采煤機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制時，必須保證數(shù)據(jù)的有效性、可靠性、實(shí)時性，數(shù)據(jù)采集及傳輸采用CAN總線，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸采用屏蔽雙絞線或光纖，在硬件上增加隔離、吸收電路，在軟件中通過濾波算法，去除干擾信號，解決在礦井復(fù)雜電磁環(huán)境下，不同設(shè)備間的可靠通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊的兼容性和開放性，提高設(shè)備的通訊抗干擾能力[8]。

2.3.2 基于多傳感信息融合的采煤機(jī)電裝備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷

通過采用多傳感信息融合技術(shù)，達(dá)到對搖臂振動、溫度在線監(jiān)測及潤滑油質(zhì)的監(jiān)測，多傳感器融合技術(shù)可以強(qiáng)化采煤機(jī)優(yōu)良傳感器的工作狀態(tài)，研究不同種類之間傳感信息的融合方法，使用判定算法進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。

2.3.3 基于DSP技術(shù)的采煤機(jī)故障診斷

以DSP為平臺的的故障診斷系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)的實(shí)時檢測與診斷功能[9]，包括故障振動信號采集、數(shù)字信號處理、采集信號和診斷結(jié)果的存儲、故障信號的診斷和結(jié)果信號的信息融合。

2.4 采煤機(jī)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合

智能制造下新業(yè)態(tài)新模式的制造業(yè)是順應(yīng)“互聯(lián)網(wǎng)+”以及制造業(yè)服務(wù)化的大趨勢。采煤機(jī)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合可以實(shí)現(xiàn)綜采工作面的無線網(wǎng)絡(luò)通訊[10]。

在計算機(jī)控制下，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與基礎(chǔ)設(shè)備、中間傳輸信息介質(zhì)形成一個整體。物聯(lián)網(wǎng)控制采煤機(jī)可識別煤巖體、控制采煤機(jī)牽引速度、控制滾筒高度等，開發(fā)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的控制器具有邏輯判斷性，即在基礎(chǔ)段傳感器等設(shè)備采集的信號基礎(chǔ)上，控制處理中心要進(jìn)行分析、判斷，控制中心發(fā)出執(zhí)行指令。物聯(lián)網(wǎng)自動化控制技術(shù)的應(yīng)用，真正實(shí)現(xiàn)綜采工作面智能控制系統(tǒng)，降低了采煤機(jī)故障率，提高了礦井生產(chǎn)效率。

3 智能制造在煤機(jī)領(lǐng)域發(fā)展趨勢

新一代智能制造的理念是以數(shù)據(jù)為核心，實(shí)現(xiàn)物物相連，對應(yīng)煤機(jī)領(lǐng)域要加強(qiáng)智能制造能力建設(shè)，升級產(chǎn)品核心競爭力及科技附加值，滿足客戶多元化、個性化的定制需求。

3.1 建設(shè)產(chǎn)品與數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化

煤機(jī)裝備的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，就是針對小批量、多品種的產(chǎn)品。其零部件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化加工，適應(yīng)柔性生產(chǎn)需求，做到研發(fā)設(shè)計和生產(chǎn)工藝的融合，完善一體化體系，加強(qiáng)智能制造理念，實(shí)現(xiàn)設(shè)計、工藝、制造的協(xié)同。

3.2 創(chuàng)新智能制造工藝系統(tǒng)

煤機(jī)裝備智能制造體現(xiàn)在生產(chǎn)環(huán)節(jié)就是工藝的智能化。前述自動焊接機(jī)器人的應(yīng)用就是焊接工藝的優(yōu)化。煤機(jī)智能工藝系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)就是要求工廠總體設(shè)計、工藝流程及布局均已建立數(shù)字化模型，并進(jìn)行模擬仿真，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程數(shù)據(jù)可視化和生產(chǎn)工藝優(yōu)化。

建立數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)，生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)自動數(shù)采率達(dá)到90%以上。實(shí)現(xiàn)原料、關(guān)鍵工藝和成品檢測數(shù)據(jù)的采集和集成利用，建立實(shí)時的質(zhì)量預(yù)警。

采用先進(jìn)控制系統(tǒng)，工廠自控投用率達(dá)到90%以上，關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)基于模型的先進(jìn)控制和在線優(yōu)化。

3.3 智能制造信息化系統(tǒng)和基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)

要推進(jìn)制造過程智能化，重點(diǎn)領(lǐng)域是建設(shè)智能工藝數(shù)字化車間，即智能工廠。

智能工廠，通過構(gòu)建智能生產(chǎn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化分布生產(chǎn)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程智能化，再基于CPS和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建智能工廠，包括物理層、信息層、大數(shù)據(jù)層、工業(yè)云層、決策層。物理層包含了工廠內(nèi)各層硬件設(shè)備，從最小生產(chǎn)單元到裝配單元，從物流到存儲再到管理，全程全廠實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，構(gòu)建一個“可測可控，可產(chǎn)可管”的縱向集成環(huán)境。

4 我國在煤機(jī)裝備領(lǐng)域發(fā)展途徑

我國煤機(jī)市場尚不成熟，眾多煤機(jī)生產(chǎn)商仍存在混亂無序的狀態(tài)，整體上與國際先進(jìn)水平差距表現(xiàn)在：技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)差距大、設(shè)計理念落后、關(guān)鍵軟硬件設(shè)備仍需進(jìn)口，產(chǎn)品使用壽命短、可靠性差，工藝、檢測、加工設(shè)備落后等。

我國煤機(jī)裝備制造業(yè)企業(yè)要立足我國煤炭地質(zhì)和生產(chǎn)現(xiàn)狀，積極進(jìn)行煤炭制造相關(guān)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，投入大量資金對煤炭制造技術(shù)進(jìn)行研發(fā)，利用三維數(shù)字化設(shè)計等相關(guān)軟件，對大功率采煤機(jī)、巖巷挖掘機(jī)、大型運(yùn)輸提升和洗選設(shè)備等進(jìn)行專業(yè)技術(shù)的研發(fā)，希望能逐步攻克這些技術(shù)難關(guān)，使得中國的煤機(jī)制造業(yè)能吸收、消化這類重大裝備的研發(fā)技術(shù)。

其次，根據(jù)《中國制造2025》戰(zhàn)略要求進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，發(fā)展具有高可靠性和智能化煤機(jī)成套裝備，在企業(yè)管理方面要推進(jìn)精益管理，在人才培養(yǎng)方面要制定煤機(jī)領(lǐng)域人才培養(yǎng)體系，這些都是煤機(jī)裝備領(lǐng)域發(fā)展智能制造的根本路徑。

5 結(jié)束語

本文重點(diǎn)介紹了智能制造理念在我國煤機(jī)裝備的發(fā)展現(xiàn)狀，并具體以采煤機(jī)現(xiàn)有的先進(jìn)技術(shù)為例進(jìn)行了介紹；指出了智能煤機(jī)在今后的發(fā)展趨勢：標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化以及實(shí)現(xiàn)煤機(jī)裝備智能制造的根本途徑。希望我國煤機(jī)領(lǐng)域能按照《中國制造2025》戰(zhàn)略規(guī)劃，步步為營，逐步壯大，早日躋身世界煤機(jī)制造先進(jìn)行列。