自動(dòng)化技術(shù)在礦山機(jī)電控制中的應(yīng)用淺析

張立強(qiáng)

摘 要：礦山生產(chǎn)期間，離不開各種機(jī)電設(shè)備，自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用廣泛。文章從自動(dòng)化技術(shù)的特點(diǎn)和控制功能出發(fā)，介紹了礦山機(jī)電自動(dòng)化控制的應(yīng)用價(jià)值和具體應(yīng)用情況，指出未來發(fā)展趨勢，以供參考。

關(guān)鍵詞：礦山生產(chǎn);機(jī)電控制;自動(dòng)化技術(shù);智能化;發(fā)展趨勢

中圖分類號(hào)：TD67 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）02-0178-02

0 引言

我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，對(duì)礦產(chǎn)資源的需求不斷增加，礦山生產(chǎn)過程中，機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行性能直接影響資源開采情況?；谙冗M(jìn)的科學(xué)技術(shù)和信息技術(shù)，自動(dòng)化控制在礦山機(jī)電中的應(yīng)用普遍，不僅提高了生產(chǎn)效率，而且能保證作業(yè)安全，有利于礦山健康長遠(yuǎn)發(fā)展。自動(dòng)化技術(shù)有哪些功能？如何應(yīng)用在礦山機(jī)電控制中？以下結(jié)合實(shí)踐進(jìn)行探討。

1自動(dòng)化技術(shù)的特點(diǎn)和控制功能

1.1 特點(diǎn)

自動(dòng)化技術(shù)的特點(diǎn)是：（1）可靠性高，基于單片微型計(jì)算機(jī)下，配合保護(hù)電路、自診斷功能，可保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行。（2）容易編程，多采用繼電器控制梯形圖，即使沒有專業(yè)的計(jì)算機(jī)知識(shí)也能進(jìn)行編程。（3）組態(tài)靈活，采用積木式結(jié)構(gòu)，能對(duì)系統(tǒng)規(guī)模和功能進(jìn)行靈活改變。（4）輸入和輸出模塊齊全，針對(duì)不同信號(hào)均有對(duì)應(yīng)的模塊，和CPU主板連接在一起。（5）方便安裝，不需要專用機(jī)房，也不需要屏蔽措施，經(jīng)接口端子連接后即可運(yùn)行。（6）運(yùn)行快速，采用程序控制，在保證穩(wěn)定性的前提下，可顯著提升運(yùn)行速度。

1.2 控制功能

第一，開環(huán)控制。開環(huán)控制是自動(dòng)化技術(shù)的基本功能，可對(duì)計(jì)數(shù)、定時(shí)、順序等邏輯進(jìn)行控制，可代替繼電器控制系統(tǒng)運(yùn)行。

第二，閉環(huán)控制。閉環(huán)控制功能的應(yīng)用，通過對(duì)開關(guān)量和模擬量進(jìn)行輸入、輸出，能控制壓力、位移、溫度、流量、速度等參數(shù)，在小型、中型、大型設(shè)備中均可實(shí)現(xiàn)這一功能。

第三，數(shù)字量控制。在控制系統(tǒng)中，配合旋轉(zhuǎn)編碼器、脈沖伺服裝置，能對(duì)脈沖進(jìn)行輸出和接收，發(fā)揮出數(shù)字量控制作用。隨著技術(shù)進(jìn)步，數(shù)字控制模塊出現(xiàn)并應(yīng)用，具有曲線插補(bǔ)功能，方便了控制工作。

第四，數(shù)據(jù)采集監(jiān)控。自動(dòng)化技術(shù)能方便現(xiàn)場生產(chǎn)和控制工作，因此數(shù)據(jù)采集是前提，將自動(dòng)化技術(shù)和觸摸屏、上位計(jì)算機(jī)等連接，既能顯示數(shù)據(jù)，又能統(tǒng)計(jì)分析。設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行期間，通過自診斷監(jiān)控，可避免系統(tǒng)故障。

2礦山機(jī)電自動(dòng)化控制的應(yīng)用價(jià)值

2.1 提高時(shí)效性

礦山生產(chǎn)中，以往采用人工手動(dòng)模式，不僅工作量大，而且效率低下。機(jī)電自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用，促使工作人員從繁忙的工作中解脫出來，不再需要大量的勞動(dòng)力。機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行，只需專業(yè)人員進(jìn)行調(diào)試和控制即可，既能提高工作量，又可以避免人為操作帶來的誤差。自動(dòng)化技術(shù)和機(jī)電設(shè)備的結(jié)合，能保證設(shè)備可靠運(yùn)行，增強(qiáng)抗干擾能力，避免故障發(fā)生，顯著提升時(shí)效性。

2.2 保證安全性

礦山生產(chǎn)中，有不少井下作業(yè)項(xiàng)目，如何保證施工安全成為一個(gè)重點(diǎn)。傳統(tǒng)的機(jī)電設(shè)備雖然操作簡單，但是自我檢修能力、自我修復(fù)能力差，出現(xiàn)問題后難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理，繼而影響后續(xù)作業(yè)。自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用，能對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)工況變化調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，提高設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性。一旦出現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)能及時(shí)報(bào)警，提示技術(shù)人員進(jìn)行檢修，保證工作人員的安全性，有利于提高礦山生產(chǎn)的綜合效益。

3自動(dòng)化技術(shù)在礦山機(jī)電控制中的具體應(yīng)用

3.1 井下風(fēng)門

對(duì)礦井下風(fēng)門進(jìn)行控制，傳統(tǒng)措施是人工手動(dòng)模式，根據(jù)生產(chǎn)需要進(jìn)行開啟或閉合。井下風(fēng)門的內(nèi)外兩側(cè)存在壓力差，因此開啟或閉合時(shí)有一定難度，如果操作不當(dāng)可能造成風(fēng)門損壞，甚至威脅工作人員的安全。為了優(yōu)化控制，采用自動(dòng)化技術(shù)從手動(dòng)操作轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)操作，既能保證風(fēng)門開閉的穩(wěn)定性，又能保護(hù)工作人員的安全。具體來說，自動(dòng)化技術(shù)、紅外線技術(shù)相結(jié)合，可對(duì)進(jìn)出風(fēng)門的人員和車輛進(jìn)行監(jiān)測，做出合理的開啟或閉合操作。為了降低風(fēng)門兩側(cè)的壓力差，可在風(fēng)門上開一扇小窗，連接開關(guān)程序和自動(dòng)化程序，既能滿足開啟、閉合的功能，又能有效防止風(fēng)門損壞。

3.2 提升機(jī)運(yùn)輸

在提升機(jī)運(yùn)輸過程中，利用自動(dòng)化技術(shù)能實(shí)現(xiàn)雙回路電源，對(duì)變頻系統(tǒng)、電控系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換，具有手動(dòng)、自動(dòng)、半自動(dòng)、應(yīng)急停開等功能。在手閘控制上，利用全數(shù)字、電子脈沖信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)零位鎖定;回路和控制環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，能及時(shí)報(bào)警提示。配合觸摸式液晶顯示屏，能顯示實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，例如提升機(jī)的位置、速度;能對(duì)系統(tǒng)自我檢測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常。以西門子PLC系統(tǒng)為例，兩套系統(tǒng)相互冗余，冗余量達(dá)到20%以上。

3.3 機(jī)電系統(tǒng)

礦山生產(chǎn)時(shí)，以往機(jī)電設(shè)備采用繼電器進(jìn)行控制，隨著技術(shù)發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)出現(xiàn)并應(yīng)用?；谧詣?dòng)化技術(shù)下，編程控制器的功能不斷完善，能控制大功率交流器的運(yùn)行。例如：自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用在提升機(jī)上，在其他地方設(shè)置控制臺(tái)，可提高施工效率，簡化操作流程;應(yīng)用在壓氣設(shè)備上如螺桿式空壓機(jī)，能保證氣壓的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約的目標(biāo);應(yīng)用在排水設(shè)備上，可對(duì)水流進(jìn)行控制，在滿足供水需求的同時(shí)，避免水資源浪費(fèi)。

3.4 監(jiān)控系統(tǒng)

礦山生產(chǎn)具有一定安全風(fēng)險(xiǎn)，在監(jiān)控設(shè)備上利用自動(dòng)化技術(shù)，能對(duì)各個(gè)施工環(huán)節(jié)、施工人員進(jìn)行監(jiān)督，指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)作業(yè)。其一，通過自動(dòng)化監(jiān)控，能發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中的問題和隱患，及時(shí)采取改進(jìn)措施，避免造成不利影響。其二，結(jié)合礦山生產(chǎn)特點(diǎn)，借鑒國內(nèi)外成功的管理經(jīng)驗(yàn)，確保監(jiān)控設(shè)備和管理制度相適應(yīng)。舉例來說，無線通信技術(shù)的應(yīng)用，能連接控制中心和工作人員，控制中心將命令傳遞給工作人員，工作人員可以反饋生產(chǎn)情況;地理信息技術(shù)的應(yīng)用，可以了解施工人員的位置，方便分配工作任務(wù)，遇到風(fēng)險(xiǎn)災(zāi)害時(shí)能指揮工作人員自救。

3.5 集控系統(tǒng)

在選礦廠集控系統(tǒng)中，應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)是對(duì)可編程控制器進(jìn)行改造，促使壓濾、清洗、運(yùn)輸?shù)认到y(tǒng)組成完整的控制器;而多個(gè)控制器之間，能實(shí)時(shí)有效通信，有利于數(shù)據(jù)的采集和處理，作出科學(xué)的生產(chǎn)管理決策。實(shí)踐證實(shí)，自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用在集控系統(tǒng)中，既能對(duì)電路進(jìn)行監(jiān)測和控制，又有利于選礦工作的開展，能實(shí)現(xiàn)各個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制目標(biāo)。

3.6 防跑車門

在礦井生產(chǎn)中，斜井運(yùn)輸是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，目前運(yùn)輸時(shí)常見的問題是跑車現(xiàn)象。對(duì)此，在系統(tǒng)中設(shè)置安全門自動(dòng)設(shè)備，就能解決這一問題。自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用，可對(duì)安全門進(jìn)行自動(dòng)打開、自動(dòng)關(guān)閉，常安裝在巷道內(nèi)，一般處于閉合狀態(tài)。有運(yùn)輸?shù)V車經(jīng)過時(shí)，會(huì)觸動(dòng)安全門的開關(guān)，此時(shí)安全門自動(dòng)打開;如果出現(xiàn)跑車現(xiàn)象，安全門就不會(huì)打開，阻止礦車?yán)^續(xù)前進(jìn)?？梢?，自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用，能保證礦車正常運(yùn)行，降低事故發(fā)生率，提高斜井運(yùn)輸效率和安全性。

3.7 采煤設(shè)備

煤礦開采中，采煤機(jī)是基礎(chǔ)設(shè)備，應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)能提供牽引力，提高電能利用率，根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整采煤速度和高度，最大程度上滿足采煤需求。和傳統(tǒng)的采煤機(jī)相比，應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)后，一方面故障率降低，運(yùn)行穩(wěn)定性明顯提升;另一方面操作簡單，能減少維修工作量。就目前而言，采煤作業(yè)中已經(jīng)離不開自動(dòng)化技術(shù)，是煤礦產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要?jiǎng)恿Α?/p>

4礦山機(jī)電自動(dòng)化技術(shù)的未來發(fā)展趨勢

4.1 一體化

一體化就是對(duì)機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行集成，可對(duì)數(shù)控指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合機(jī)電設(shè)備的功能需求，將基礎(chǔ)模塊做成系列標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，例如存儲(chǔ)器、輸入接口、輸出接口。采用積木式模塊，進(jìn)行增減、裁剪，從而形成不同規(guī)模、不同場次的數(shù)控系統(tǒng)。從市場發(fā)展來看，由于機(jī)電設(shè)備的生產(chǎn)商家較多，研發(fā)和制造時(shí)，各類接口應(yīng)該采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，方便后續(xù)使用和維修。在電動(dòng)機(jī)、智能減速、機(jī)電一體化方面，應(yīng)對(duì)不同的圖像、視覺進(jìn)行針對(duì)性處理，利用程序控制單元，優(yōu)化各單元模塊，既有利于擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，又能開發(fā)出新產(chǎn)品。例如：制造標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)電設(shè)備時(shí)，既要生產(chǎn)出多功能產(chǎn)品，又要進(jìn)行優(yōu)化組合，實(shí)現(xiàn)降本增效的目標(biāo)。

4.2 網(wǎng)絡(luò)化

網(wǎng)絡(luò)化是機(jī)電自動(dòng)化控制的重要發(fā)展方向，能為工業(yè)生產(chǎn)、礦山生產(chǎn)帶來重大變革。在礦山生產(chǎn)中，網(wǎng)絡(luò)化主要體現(xiàn)在材料選購、產(chǎn)品制造、市場開發(fā)等方面，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可對(duì)機(jī)電自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，加強(qiáng)區(qū)域間溝通。具體到井下開采作業(yè)，將主機(jī)和監(jiān)控系統(tǒng)相連接，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控，利用設(shè)定好的程序進(jìn)行操作，并且不斷改進(jìn)管理，最終促進(jìn)機(jī)電自動(dòng)化技術(shù)快速發(fā)展。

4.3 智能化

智能化是將人工智能、計(jì)算機(jī)、心理學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科相結(jié)合，通過模擬人類的智能，形成推理邏輯、自主選擇、自主決策的能力，將自動(dòng)化技術(shù)提升至更高的層次。以工業(yè)機(jī)器人為例，就是智能化設(shè)備的典型代表，可以代替部分勞動(dòng)力，提高生產(chǎn)效率和精準(zhǔn)度。礦山機(jī)電設(shè)備和智能化技術(shù)的結(jié)合，可以用在危險(xiǎn)性高的作業(yè)中，保護(hù)工作人員的安全。

4.4 綠色化

礦山開采是消耗資源能源的過程，傳統(tǒng)開采理念下，重視經(jīng)濟(jì)效益，忽視了生態(tài)效益，導(dǎo)致環(huán)境污染和生態(tài)破壞。在未來，綠色化的礦山開采，應(yīng)該將節(jié)能、降耗技術(shù)應(yīng)用在機(jī)電控制中。一方面，機(jī)電設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造，采用新型材料，減少能源消耗;對(duì)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，在保證生產(chǎn)質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)降耗目標(biāo)。另一方面，從機(jī)電設(shè)備的管理入手，完善管理制度和約束機(jī)制，變革傳統(tǒng)的管理理念，提高運(yùn)行可靠性。

4.5 創(chuàng)新性

創(chuàng)新是工業(yè)發(fā)展的動(dòng)力，礦山生產(chǎn)也不例外。對(duì)礦山機(jī)電設(shè)備進(jìn)行創(chuàng)新，除了醫(yī)院PLC技術(shù)以外，還可以嘗試人-機(jī)用戶界面（HMI）、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）、分布式控制系統(tǒng)（DCS）等。以ANN為例，是模擬人腦神經(jīng)元建立運(yùn)算模型，具有模式識(shí)別、自動(dòng)控制、自動(dòng)預(yù)測等功能。礦山設(shè)備控制中采用ANN，通過信息的采集和分析，能做出科學(xué)的決策，為采礦作業(yè)和管理提供支持。

5 結(jié)語

綜上所述，礦山生產(chǎn)中，機(jī)電設(shè)備是基礎(chǔ)而又重要的工具，應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)能提高時(shí)效性、保證安全性。文章以井下風(fēng)門、提升機(jī)運(yùn)輸、機(jī)電系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、集控該系統(tǒng)、防跑車門、采煤設(shè)備為例，介紹了自動(dòng)化技術(shù)的具體應(yīng)用。在未來，礦山機(jī)電自動(dòng)化技術(shù)向著一體化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、綠色化、創(chuàng)新性的方向發(fā)展，推動(dòng)礦山可持續(xù)發(fā)展。

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