煤礦機電自動化集控的發(fā)展與應(yīng)用

＊張 冰

（山西焦煤西山煤電東曲礦 山西 030200）

引言

通常來講，煤礦機電自動化集控對于當(dāng)今能源行業(yè)發(fā)展具有重要的推動作用，現(xiàn)代煤礦產(chǎn)業(yè)的改革創(chuàng)新與高效化運營均離不開自動化控制技術(shù)。得益于此類技術(shù)的諸多優(yōu)勢，我國能源開采行業(yè)在新時代背景下逐漸實現(xiàn)了低能耗生產(chǎn)，有效實現(xiàn)了資源開采與能源損耗的動態(tài)平衡。因此在未來階段，進一步拓展機電集控技術(shù)的應(yīng)用范圍，提高技術(shù)穩(wěn)定性，對于落實能源開采行業(yè)的產(chǎn)業(yè)深度升級具有重要的現(xiàn)實意義。

1.煤礦機電自動化集控的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著科學(xué)技術(shù)逐漸深入各產(chǎn)業(yè)基層，技術(shù)優(yōu)勢使得煤礦產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展，并在煤礦開采、生產(chǎn)及運輸?shù)攘鞒讨械玫斤@著體現(xiàn)，直接降低了整體行業(yè)的運營控制成本投入。在煤炭開采流程中，機電設(shè)備的高效化與穩(wěn)定化運作可確保煤炭開采正常，對于穩(wěn)定煤炭企業(yè)的日常運營意義重大。而在機械設(shè)備集成化與自動化升級方面，集控設(shè)備的大規(guī)模生產(chǎn)，可進一步強化煤礦設(shè)備穩(wěn)定性，實現(xiàn)設(shè)備自動化運行，并降低各類設(shè)備的故障率，使檢修人員可根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)直接確定維修故障點位，因此，集成技術(shù)的快速發(fā)展使得煤礦產(chǎn)業(yè)逐漸走向高技術(shù)性產(chǎn)業(yè)。但就相關(guān)理論研究而言，國內(nèi)機電集控技術(shù)在覆蓋面、技術(shù)深度等方面水平有限，難以全面提高煤礦開采行業(yè)的整體運行效率，因此，相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者通過技術(shù)融合以及外部技術(shù)本地化等方案，進一步拓展我國的機電集控技術(shù)，在結(jié)合本地煤礦開采的實際工作需求以及地形特征，逐步提高了煤礦集成自動化技術(shù)的應(yīng)用效果?，F(xiàn)階段，我國煤炭機電自動化集控的的整體發(fā)展情況可大致歸為以下兩點：一是設(shè)備覆蓋。一般而言，煤礦開采工作要求多部門協(xié)同合作，因而在機電設(shè)備控制方面需統(tǒng)一調(diào)動多臺設(shè)備，但目前國內(nèi)多數(shù)礦井仍缺少相關(guān)協(xié)同控制技術(shù)，因此，在低成本領(lǐng)域內(nèi)我國自動化集控技術(shù)仍存空白，需要一些系統(tǒng)化、低成本化兼顧的技術(shù)加以完善。二是機電設(shè)備的系統(tǒng)整合。多數(shù)煤礦企業(yè)的設(shè)備種類不盡相同，因而在設(shè)備性能、接口規(guī)格等方面也存在差異。所以機電設(shè)備的統(tǒng)一控制工作難度顯著上升。而集控技術(shù)需結(jié)合開采任務(wù)需求同步調(diào)動多個設(shè)備，因此兩類不同系統(tǒng)的整合成為國內(nèi)機電自動化集成技術(shù)的另一問題。但隨著行業(yè)技術(shù)的發(fā)展，我國機電設(shè)備生產(chǎn)商正逐步實現(xiàn)規(guī)格和標準統(tǒng)一，降低集控系統(tǒng)的調(diào)控難度，使其在不同環(huán)境下可發(fā)揮既定作用[1]。

2.煤礦機電自動化集控特點以及缺陷

(1)煤礦機電自動化集控技術(shù)的特點

由于機電自動化集控的核心部件是由計算機以及智能化軟件系統(tǒng)構(gòu)成，因此該項技術(shù)通常具有自主運算控制、自動監(jiān)測、數(shù)據(jù)收集等多種功能，因而在使用過程中，操作人員無需過多干預(yù)系統(tǒng)運行，具有操作簡便、自動化程度高、控制效果好等特點[2]。

(2)煤礦機電自動化集控的作用

煤礦機電自動化集控主要負責(zé)各類設(shè)備的統(tǒng)一控制，其主體作用如下：可監(jiān)測并反饋設(shè)備故障，同時根據(jù)各類傳感器數(shù)據(jù)計算當(dāng)前設(shè)備的運行狀態(tài)。此外，在增加智能化模塊后，機電自動化集控系統(tǒng)可結(jié)合輸入的開采數(shù)據(jù)制定對應(yīng)的工作計劃，從而有效減少人工成本投入。與此同時，結(jié)合設(shè)備的數(shù)據(jù)檔案功能，后臺控制人員可定期通過數(shù)據(jù)報告形式分析設(shè)備的各類詳細數(shù)據(jù)，從而提高設(shè)備的管理維護效率[3]。

(3)機電自動化集控發(fā)展中的主要問題

目前，機械自動化行業(yè)雖逐步開展機電自動化集控技術(shù)的深入研究發(fā)展，但是與一線技術(shù)強國相比較仍然存在諸多技術(shù)問題。

①機電自動化技術(shù)水平差距較大。我國的煤礦機電自動化技術(shù)發(fā)展周期相對較短，部分核心技術(shù)處于西方技術(shù)封鎖下，在技術(shù)突破方面受到諸多限制，所以我國近年來國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域成熟化產(chǎn)品數(shù)量相對較少，部分地區(qū)的大型煤炭企業(yè)仍采用外國技術(shù)系統(tǒng)。

②煤礦機電自動化技術(shù)研究尚未形成體系。自動化集控技術(shù)發(fā)展不僅依賴于機械、軟件等領(lǐng)域，其更多要求基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的突破性發(fā)展，但就實際而言，我國目前的煤礦機電自動化集控技術(shù)在基礎(chǔ)科學(xué)方面受到諸多限制，因而導(dǎo)致對應(yīng)的控制設(shè)備存在精度問題，進而嚴重阻礙了國內(nèi)自動化集控技術(shù)的深度迭代，反映在宏觀市場角度則體現(xiàn)出我國相關(guān)技術(shù)企業(yè)的產(chǎn)品覆蓋面積相對有限，且多數(shù)集中于低端市場[4]。

3.煤礦機電自動化集控技術(shù)的應(yīng)用

目前，我國機電集控技術(shù)主要應(yīng)用在環(huán)境檢測、采煤牽引、礦井提升及煤炭運輸?shù)入A段中，通過自動化技術(shù)的優(yōu)勢提高煤礦機電的整體運轉(zhuǎn)精度以及效率，使煤礦產(chǎn)業(yè)有效地提升煤炭開采的質(zhì)量和效率。

(1)環(huán)境檢測

安全生產(chǎn)是確保礦企日常工作順利開展的重要基礎(chǔ)工作流程。但受到礦井環(huán)境限制影響，煤炭開采準備工作種類繁雜多樣，少數(shù)小型煤礦在不同機電設(shè)備的安裝擺放方面缺少規(guī)劃，這便導(dǎo)致煤炭企業(yè)運營生產(chǎn)易出現(xiàn)嚴重的安全隱患。而積極引入機電集控技術(shù)可詳細反應(yīng)當(dāng)前設(shè)備的運行狀態(tài)，系統(tǒng)全面監(jiān)測設(shè)備各階段工作情況。通常來講，我國礦井環(huán)境檢測設(shè)備多通過專業(yè)供應(yīng)商專項采購而來，國內(nèi)技術(shù)體系相對薄弱，對應(yīng)產(chǎn)品難以直接引入到煤礦生產(chǎn)之中，導(dǎo)致部分應(yīng)用國產(chǎn)設(shè)備的煤礦產(chǎn)業(yè)始終存在安全生產(chǎn)問題。但隨著技術(shù)的逐漸迭代，國內(nèi)機電集控技術(shù)逐步完善后，將傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測單元整合到集控技術(shù)體系中，可詳細收集煤礦環(huán)境中的各種變量數(shù)據(jù)，并將環(huán)境檢測技術(shù)融入到集控體系之中，為企業(yè)生產(chǎn)運營提供安全保障[5]。

(2)采煤牽引

通常來講，采煤牽引技術(shù)是集控技術(shù)體系中的重要組成部分，再配合集控系統(tǒng)后能夠有效提升采煤設(shè)備的整體作業(yè)效率。在進一步升級開發(fā)采煤牽引技術(shù)后，可將針對各個環(huán)節(jié)的煤炭轉(zhuǎn)運設(shè)備進行統(tǒng)一控制。就實際而言，目前多數(shù)的機電牽引技術(shù)具備自動化控制能力與高穩(wěn)定性，然而在功耗平衡方面存在較多問題，對于煤炭企業(yè)的綠色化發(fā)展戰(zhàn)略落實造成負面影響，但將機電集控技術(shù)融入到牽引技術(shù)中后，可通過變頻控制單元降低牽引機的能量損耗，提高采煤牽引機的工作效率，從而實現(xiàn)設(shè)備能耗的精確控制。另外，通過集控技術(shù)中的各類傳感器，可輔助液壓牽引系統(tǒng)實現(xiàn)載重牽引功率的細微調(diào)整，并判斷當(dāng)前設(shè)備的運行狀態(tài)，準確地把握礦井的復(fù)雜運行環(huán)境，為后臺系統(tǒng)自動化調(diào)整提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

(3)煤礦采集

提升機是多數(shù)煤礦設(shè)備調(diào)運以及人員轉(zhuǎn)運的主要工具，該設(shè)備的主要特點是自身操作控制較難、質(zhì)量較高、空間體積較大，若缺乏合理適用控制則可能影響煤炭采集，而將其并入到機電集控系統(tǒng)后，便可大幅提高設(shè)備的整體控制效率，增強機電設(shè)備的運行控制精度，進而降低了機電設(shè)備的手動控制難度，消除設(shè)備運行過程中出現(xiàn)的各類問題。另外，在故障檢測方面，機電集控技術(shù)通過智能化模塊可分析提升機的整體運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并針對潛在的故障區(qū)域進行標記與定位，隨后可通過后臺報告形式為運管人員提供相關(guān)數(shù)據(jù)，從而幫助維修人員高效、快捷地維護設(shè)備，避免設(shè)備出現(xiàn)宕機問題。此外，機電集控技術(shù)能夠幫助煤炭提升機簡化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使提升機的控制系統(tǒng)得到優(yōu)化和改善[6]。

(4)煤炭運輸

煤炭運輸是煤炭生產(chǎn)的重要步驟之一，在此過程中，技術(shù)人員要確保在運輸過程中運輸設(shè)備的穩(wěn)定性與安全性。為進一步提高整體生產(chǎn)效率，多數(shù)煤炭企業(yè)均致力于提高運輸設(shè)備的性能，但就實際而言，運輸設(shè)備技術(shù)的研發(fā)迭代通常要投入大量資源，而積極引入成熟的控制系統(tǒng)更為直接有效。因此，部分采購了西方成熟的機電集控技術(shù)，以此提高煤礦運輸設(shè)備的整體運載效率，并通過動態(tài)功耗控制技術(shù)進一步優(yōu)化成本投入。此外，在我國部分企業(yè)在機電集控技術(shù)研發(fā)過程中逐步開展進行系統(tǒng)軟件的自主研發(fā)，并意圖通過軟件優(yōu)勢進一步提高煤炭轉(zhuǎn)運設(shè)備的整體穩(wěn)定，消除長時間運行后設(shè)備潛在的故障風(fēng)險，為煤礦企業(yè)的開采工作提供穩(wěn)定保障。然后受到不同地域煤炭環(huán)境的差異化影響，少數(shù)礦井的運輸距離相對較長，運輸設(shè)備的傳動裝置在長期運行過后可能出現(xiàn)不穩(wěn)定問題，甚至出現(xiàn)皮帶打滑等問題。因此，針對上述問題，技術(shù)人員應(yīng)進步一步升級系統(tǒng)監(jiān)測能力，通過對應(yīng)的傳感器收集的數(shù)據(jù)建立運輸設(shè)備的穩(wěn)定運行周期檔案，幫助技術(shù)人員提前明確設(shè)備的運行故障點，并提前進行設(shè)備故障處理[7]。

(5)監(jiān)測礦井生產(chǎn)安全

煤礦機電自動化疾控技術(shù)的應(yīng)用，在礦井的生產(chǎn)安全中具有監(jiān)測功能，因為煤礦機電自動化具有程序化、信息化和智能化的顯著特點，設(shè)備設(shè)施體積小，維護簡單，操作方便，有著可靠的性能，將煤礦機電自動化集控技術(shù)應(yīng)用到礦井的生產(chǎn)中，可以發(fā)揮出其智能化的應(yīng)用優(yōu)勢，對煤礦的生產(chǎn)安全進行監(jiān)測。在礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)中，煤礦機電自動化集控技術(shù)的應(yīng)用水平反映在系統(tǒng)的運行和系統(tǒng)的功能上，我國的自動化監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用起步時間并不長，和發(fā)達國家相比，自動化監(jiān)測的技術(shù)水平薄弱，曾經(jīng)的很長一段時間內(nèi)，我國的自動化檢測活動的設(shè)備設(shè)施來源主要是依賴進口，自主研發(fā)的能力有限，目前則處于逐步探索和創(chuàng)新發(fā)展的階段，因此我國的煤礦機電自動化集控技術(shù)的水平有待進一步提高。隨著近些年來科學(xué)技術(shù)水平的持續(xù)發(fā)展，我國在引進國外的先進設(shè)備的過程中，逐漸加強了對設(shè)備的開發(fā)、研究，結(jié)合設(shè)備設(shè)施的運行原理和功能，根據(jù)煤礦企業(yè)的開采需求，逐漸構(gòu)建起了屬于我國獨有的煤礦機電自動化監(jiān)控系統(tǒng)，向著世界級的先進水平靠近。根據(jù)國家出臺的有關(guān)政策和煤礦開采的安全章程的內(nèi)容，圍繞著監(jiān)控監(jiān)測的開發(fā)理念。要在先抽后采、以風(fēng)定產(chǎn)的原則下，利用機電自動化集控技術(shù)進行煤礦的安全監(jiān)管，強化礦井的生產(chǎn)安全性。例如在預(yù)警瓦斯方面，利用自動化技工技術(shù)，精準的進行預(yù)警活動，根據(jù)礦井的生產(chǎn)現(xiàn)狀，加強全方位、智能化的礦井監(jiān)測，配備完善的配套設(shè)備和設(shè)施，在通信功能的支持下，增強安全生產(chǎn)的管理水平。

4.煤礦機電自動化集控的發(fā)展趨勢

(1)進一步提高機電集成技術(shù)的控制效能

隨著技術(shù)研發(fā)的不斷投入，機電集控技術(shù)在各領(lǐng)域中的應(yīng)用使得多數(shù)產(chǎn)業(yè)認識到此類技術(shù)的優(yōu)勢，在今后發(fā)展過程，此類技術(shù)將逐步提高其控制效能，同時系統(tǒng)迭代周期逐漸縮短，應(yīng)用范圍顯著擴大，可實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的同步控制，也可有效地幫助企業(yè)提高生產(chǎn)效率與生產(chǎn)安全性，同時逐步壓縮投入成本[8]。此外，部分大型企業(yè)則逐步研發(fā)遠程遙控與自動化機電集成技術(shù)，從而實現(xiàn)全區(qū)域的無人化作業(yè)，降低人力資源投入成本，消除人員誤操作對設(shè)備的影響，以此提高整體開采系統(tǒng)的自動化程度。除此之外，通過遠程操控單元，技術(shù)人員可在復(fù)雜環(huán)境下通過手動操作完成特殊開采與設(shè)備安裝任務(wù)，避免在高危環(huán)境下作業(yè)出現(xiàn)工作人員人身安全問題，提高企業(yè)生產(chǎn)的安全性[9]。

(2)借助AI技術(shù)提高其自主化能力

隨著現(xiàn)代智能化技術(shù)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)、云計算、深度學(xué)習(xí)以及人神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逐漸成為未來階段機電集控技術(shù)的發(fā)展方向，因此，隨著智能化控制技術(shù)的逐步完善，未來階段可能出現(xiàn)完全自主化的機電集成控制系統(tǒng)。結(jié)合相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可通過特定的數(shù)據(jù)算法處理煤炭采集設(shè)備、運輸單元、牽引單元的整體工作數(shù)據(jù)，同時結(jié)合后臺算法制定標準化作業(yè)程序，消除設(shè)備的運行故障問題[10]。如果發(fā)生特殊情況，例如出現(xiàn)礦井地形變化，則可借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的集控系統(tǒng)搜集相關(guān)數(shù)據(jù)內(nèi)容，并調(diào)動各設(shè)備中的PLC控制器，調(diào)整各類設(shè)備的整體運行參數(shù)，使其恢復(fù)正常。若設(shè)備出現(xiàn)較為嚴重的故障問題，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則可轉(zhuǎn)接到人工管理模式，將故障原因以及搜集到的相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給運維技術(shù)人員，同時提供對應(yīng)的維護工作建議，以確保在最短時間內(nèi)恢復(fù)設(shè)備的運行狀態(tài)，提升企業(yè)的經(jīng)濟收益。除此之外，在集成深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)后，煤礦企業(yè)也可將設(shè)備系統(tǒng)關(guān)聯(lián)至本地數(shù)據(jù)庫，通過大數(shù)據(jù)系統(tǒng)搜集同類設(shè)備的整體運行數(shù)據(jù)記錄，并對本地設(shè)備的運行數(shù)據(jù)信息進行調(diào)整，以此確保機電設(shè)備的運行過程更加趨于標準化，提升各大煤礦機電設(shè)備的穩(wěn)定性和安全性，提升機電設(shè)備自主維護、自動預(yù)警及自動保護的功能和作用[11]。

5.結(jié)語

綜上，我國機電集控技術(shù)正處于快速發(fā)展期間，雖然在應(yīng)用范圍方面得到顯著提升，但仍與西方先進企業(yè)存在一定差距，因此，我國在機電自動化集控技術(shù)方面應(yīng)逐步引入網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)體系，深度發(fā)展遠程后臺操控、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及大數(shù)據(jù)技術(shù)等具有控制優(yōu)勢的底層技術(shù)，從而為本地區(qū)的集控技術(shù)提供足夠的發(fā)展空間，使得技術(shù)系統(tǒng)更加符合我國本地化礦區(qū)環(huán)境需求，使煤礦企業(yè)生產(chǎn)、運輸及環(huán)境檢測質(zhì)量得到有效提高。進而推動我國社會市場經(jīng)濟的健康發(fā)展，提升產(chǎn)業(yè)資源優(yōu)化的推進進程[12]。