礦山機(jī)械中機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用研究

卜宏基

摘 要：探究礦山機(jī)械中機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用，針對(duì)礦山機(jī)械機(jī)電一體化的意義進(jìn)行闡述，從應(yīng)用方法以及應(yīng)用策略兩個(gè)方面，分析機(jī)電集成驅(qū)動(dòng)、傳感器定位、支護(hù)設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)以及單片機(jī)的機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用情況，旨在提升礦山機(jī)械機(jī)電一體化的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：礦山機(jī)械；機(jī)電一體化；機(jī)械技術(shù)

中圖分類號(hào)：TH-39? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-6903（2023）06-0048-03

0 引言

礦山機(jī)械機(jī)電一體化技術(shù)是一種使用計(jì)算機(jī)技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)礦山機(jī)械設(shè)備操控與監(jiān)控一體化的技術(shù)類型。采用機(jī)電一體化技術(shù)能夠促進(jìn)我國(guó)工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展，提升生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，是現(xiàn)代化工業(yè)的一個(gè)發(fā)展方向。

1 礦山機(jī)械機(jī)電一體化的意義

在未開展機(jī)電一體化之前，手動(dòng)開采是主要的礦山作業(yè)方式，其不僅開采效率低，開采過程中還會(huì)因?yàn)槭┕と藛T自身的失誤造成安全事故。而礦山機(jī)械機(jī)電一體化技術(shù)的出現(xiàn)與應(yīng)用，可以降低人工開采的時(shí)間，且精密程度以及開采效率更高，還可以降低施工人員在開采過程中出現(xiàn)安全問題的概率。

我國(guó)的物產(chǎn)資源豐富，礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量較大，類型多樣。但是由于部分礦物處于薄礦層，開采難度較大。開采人員在開采過程中可能會(huì)因?yàn)槿斯さ拈_采極限性，導(dǎo)致礦產(chǎn)開采的效率并不高。使用礦山機(jī)械機(jī)電一體化技術(shù)，能夠?qū)㈦y以開采的礦層中未被發(fā)現(xiàn)利用的礦產(chǎn)資源探測(cè)并挖掘出來，為我國(guó)的礦產(chǎn)資源開采提供更加豐富的礦產(chǎn)資源[1]。

2 礦山機(jī)械機(jī)電一體化應(yīng)用

2.1 機(jī)電集成驅(qū)動(dòng)

礦山機(jī)械開采工程不僅僅是針對(duì)地下的礦石資源進(jìn)行單一地探測(cè)以及開采，還需要將開采出來的礦石提升以及運(yùn)輸?shù)?，才能形成一整套礦山開采流程。礦山機(jī)械機(jī)電一體化指機(jī)械系統(tǒng)與機(jī)電系統(tǒng)之間相互關(guān)聯(lián)、相互作用，并以此為基礎(chǔ)形成一個(gè)有機(jī)整體，通過信息傳遞和控制實(shí)現(xiàn)其功能。

可以根據(jù)礦山機(jī)械相關(guān)要求來選擇井下運(yùn)輸設(shè)備，它包括有液壓搬運(yùn)車、汽車式、軌道牽引式和無人駕駛的運(yùn)輸機(jī)等產(chǎn)品，這就為礦山機(jī)械機(jī)電一體化技術(shù)在井下應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)[2]。

礦山機(jī)械機(jī)電一體化技術(shù)是當(dāng)前先進(jìn)的現(xiàn)代管理技術(shù)之一，其將各個(gè)單元有機(jī)結(jié)合起來形成一個(gè)整體，能夠有效提高整個(gè)礦山企業(yè)的效率和水平，可以使整個(gè)企業(yè)實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能，并有效降低成本投入，使企業(yè)實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)。

機(jī)電一體化系統(tǒng)的控制主要有兩種方式：一種是基于計(jì)算機(jī)的控制，即通過應(yīng)用信息采集技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。另一種是基于電力電子的控制，即采用先進(jìn)的電子元器件和機(jī)電一體化產(chǎn)品。

當(dāng)前井下輔助運(yùn)輸系統(tǒng)主要由礦用絞車、軌道衡、刮板運(yùn)輸機(jī)以及電動(dòng)裝載機(jī)組成，其主要作用有兩點(diǎn)：一是提升礦車運(yùn)輸能力，二是保障井下設(shè)備安全。

運(yùn)輸設(shè)備包括以下3種類型：①遙控型。其遙控距離在10～15 m，控制系統(tǒng)包括電源系統(tǒng)、信號(hào)傳輸及無線裝置。②遙測(cè)遙信通信型。用于將井下遙控裝置與地面遙測(cè)信息相連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控。③自動(dòng)型。通過紅外傳感器，自動(dòng)獲取井下目標(biāo)物及相關(guān)信息，完成對(duì)其探測(cè)和識(shí)別、跟蹤、定位等任務(wù)[3]。

礦山機(jī)械機(jī)電一體化技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)礦井下無人駕駛。該系統(tǒng)由無人駕駛車輛、遠(yuǎn)程控制中心、無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、地面控制中心和地面監(jiān)控等部分組成。在礦井下使用時(shí)，可以通過無人車實(shí)現(xiàn)井下運(yùn)輸任務(wù)。也可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸過程中的安全監(jiān)測(cè)，避免出現(xiàn)事故。煤礦井下車輛自動(dòng)定位與導(dǎo)航系統(tǒng)可以對(duì)車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證車輛的行駛安全。在無人駕駛模式下，可以利用井下傳感器來實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和控制，如紅外傳感器、激光雷達(dá)傳感器、視頻攝像頭等，自動(dòng)對(duì)車輛進(jìn)行定位檢測(cè)。智能化控制技術(shù)、無線通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的方式，大大提升了智能駕駛的自動(dòng)化程度和安全性。

2.2 提升設(shè)備

提升設(shè)備是礦山機(jī)械機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用中比較重要的設(shè)備類型，在機(jī)電一體化技術(shù)的改進(jìn)下，可以采用先進(jìn)的PLC可編程控制器控制技術(shù)提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，采用高精度GPS定位技術(shù)確保礦用提升機(jī)在井下作業(yè)過程中不需人員值守，配備防爆性能優(yōu)越的電源系統(tǒng)使礦用提升機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)無故障。通過設(shè)計(jì)PLC編程實(shí)現(xiàn)了智能化自動(dòng)控制與人機(jī)界面操作監(jiān)控，配合使用井下專用傳感器（CCD等）對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，實(shí)現(xiàn)了對(duì)提升機(jī)設(shè)備的實(shí)時(shí)檢測(cè)[4]。

其中提升設(shè)備由主梁、電動(dòng)機(jī)和減速器3部分組成。電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器與主梁相連，減速器則采用行星齒輪減速器。礦用提升機(jī)由主、從機(jī)構(gòu)和安裝在主從動(dòng)端的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。主從機(jī)構(gòu)通過傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)主從動(dòng)端，其中傳動(dòng)軸一端為輸入軸，另一端為輸出軸，驅(qū)動(dòng)部分裝有電機(jī)等。主從機(jī)構(gòu)采用齒輪傳動(dòng)，減速由電動(dòng)機(jī)完成。經(jīng)過機(jī)電一體化技術(shù)改進(jìn)提升機(jī)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠、工作穩(wěn)定可靠，可用于礦井下的各種設(shè)備及機(jī)械動(dòng)力裝置的提升運(yùn)輸，也可用于井下其他輔助設(shè)備的提升工作。該產(chǎn)品適用于礦井下各種型號(hào)的提升機(jī)使用。

提升設(shè)備在應(yīng)用中包含機(jī)電一體化技術(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過對(duì)井下礦用提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、速度、位置、工作電壓以及故障等信息進(jìn)行采集，并上傳到地面監(jiān)控中心處理。通過數(shù)據(jù)傳輸及處理系統(tǒng)，通過計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)將數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，并對(duì)井下的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行處理。根據(jù)監(jiān)測(cè)到的信息和設(shè)備的實(shí)際情況，及時(shí)做出正確的判斷。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)監(jiān)控中心采集到的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息，與系統(tǒng)內(nèi)存儲(chǔ)的歷史監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行對(duì)比分析后，確定當(dāng)前設(shè)備存在的故障，進(jìn)而對(duì)故障原因及可能造成災(zāi)害的程度進(jìn)行分析。

礦山機(jī)械機(jī)電一體化技術(shù)能夠在基于GIS（地理信息系統(tǒng)）技術(shù)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中管理和綜合應(yīng)用。3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為一種新型信息化通信手段、具有大容量、高速率、低時(shí)延等特點(diǎn)。4G作為第三代移動(dòng)通信技術(shù)具有覆蓋范圍廣、低成本和大容量等優(yōu)點(diǎn)，且具備移動(dòng)通信能力強(qiáng)和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。5G作為第四代移動(dòng)通信技術(shù)具有網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣、速率高、低時(shí)延及萬物互聯(lián)等優(yōu)點(diǎn)。

操作過程中，其操作程序比較精密，用戶登陸時(shí)，程序先對(duì)用戶進(jìn)行注冊(cè)，然后再進(jìn)行人機(jī)界面操作。程序設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)參數(shù)設(shè)置和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)設(shè)置要合理科學(xué)，并有專人負(fù)責(zé)檢查和修改。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)異常時(shí)（如系統(tǒng)通訊中斷、設(shè)備參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤、保護(hù)開關(guān)誤動(dòng)作、傳感器不工作等）應(yīng)立即停機(jī)。操作界面要簡(jiǎn)潔、直觀、易懂，便于操作人員使用。用戶必須在“設(shè)置”菜單下的“網(wǎng)絡(luò)參數(shù)”欄目下設(shè)置“通信地址”和“系統(tǒng)參數(shù)”中的參數(shù)，如計(jì)算機(jī)的地址、網(wǎng)絡(luò)連接情況等，用戶還可以通過修改“安全配置”中“安全級(jí)別”的方法來實(shí)現(xiàn)安全功能。

2.3 支護(hù)設(shè)備

礦用液壓支架是一種將液壓動(dòng)力站、電動(dòng)機(jī)、控制箱、電器柜等組成的礦山機(jī)械。它可實(shí)現(xiàn)液壓支架的升降、偏轉(zhuǎn)和俯仰，還可以進(jìn)行自動(dòng)控制和遙控操作。礦用液壓支架是井下采掘工作面安全可靠的支護(hù)方法之一。礦用液壓支架具有良好的支護(hù)性能，尤其是在大傾角、高地應(yīng)力條件下更顯示出它的優(yōu)越性。在礦井條件較差的地區(qū)使用礦用液壓支架，不僅可以保證井下作業(yè)人員的安全，還能保障采掘工作面的正常生產(chǎn)。在井下采掘工作面支護(hù)時(shí)，需要經(jīng)常對(duì)液壓支架進(jìn)行維修和保養(yǎng)。

礦用液壓支架主要由液壓系統(tǒng)、工作機(jī)構(gòu)3部分組成。在機(jī)電一體化技術(shù)影響下，其自身的性能作用更加重要。井下工作中，支架的升降與偏轉(zhuǎn)是工作面支護(hù)工藝中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，所以支架的主要結(jié)構(gòu)由液壓控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成。礦用礦用液壓支架采用單支柱、雙支柱和三支柱的布置形式，主要是為了適應(yīng)不同煤層厚度和傾角下的需要。

礦用液壓支架工作機(jī)構(gòu)包括液壓缸、馬達(dá)、減速器、行程開關(guān)（或行程開關(guān)）及油箱（或換向閥）等。由于采用了先進(jìn)的電液控制技術(shù)，礦用礦用礦井機(jī)械有良好的適應(yīng)性，能完成各工作循環(huán)，提高了支護(hù)效率。此外還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，價(jià)格便宜和維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[5]。

礦用液壓支架采用液壓傳動(dòng)。當(dāng)?shù)V用液壓支架在工作面頂板移動(dòng)時(shí)，工作人員通過操作按鈕來控制其移動(dòng)的速度，達(dá)到支護(hù)要求。礦用液壓支架主要由主液壓缸、配油管座、頂梁和兩個(gè)側(cè)柱等組成。其工作原理是主液壓缸在支承壓力作用下，通過活塞將工作壓力傳遞給動(dòng)缸，從而實(shí)現(xiàn)支護(hù)的目的。配油管用于將動(dòng)力站提供的壓力油送入兩個(gè)側(cè)柱內(nèi)。頂梁能夠在兩個(gè)側(cè)柱之間通過銷軸連接，并通過連桿與動(dòng)缸相連，當(dāng)動(dòng)缸缸體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)缸和主液壓缸體就能實(shí)現(xiàn)伸縮動(dòng)作。之后由液壓油泵供油給主液壓缸，從而實(shí)現(xiàn)側(cè)柱的伸縮動(dòng)作，而兩個(gè)側(cè)柱之間是依靠銷軸連接的。

2.4 監(jiān)控系統(tǒng)

礦山機(jī)械機(jī)電一體化監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控中心、遠(yuǎn)程控制站、傳感器組成。礦山機(jī)械機(jī)電一體化（Industrial Mechanical System）是指利用計(jì)算機(jī)等先進(jìn)的技術(shù)，對(duì)礦山機(jī)械設(shè)備和人員進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理的技術(shù)系統(tǒng)。

其主要功能包括：①實(shí)現(xiàn)對(duì)礦用提升機(jī)等各類運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制，并可以進(jìn)行故障報(bào)警處理。故障診斷，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。②實(shí)現(xiàn)礦井設(shè)備自動(dòng)化辦公及生產(chǎn)過程管理，對(duì)井下各類設(shè)備、人員的實(shí)時(shí)檢測(cè)與定位等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行采集。③通過傳感器的監(jiān)測(cè)，獲得各類數(shù)據(jù)并顯示在電子屏幕上。通過通訊接口與相關(guān)管理系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程控制，使礦山機(jī)械遠(yuǎn)程控制工作更加方便可靠。

通過本項(xiàng)目工程建設(shè)，可滿足煤礦井下對(duì)運(yùn)輸系統(tǒng)和提升設(shè)備的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)監(jiān)控等需求。在按照機(jī)電一體化標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)過程中，其建設(shè)主要內(nèi)容：一是建設(shè)礦山機(jī)電一體化監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)施。二是搭建礦上計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)。三是實(shí)現(xiàn)井下各種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、設(shè)備、人員在監(jiān)控中心對(duì)礦井生產(chǎn)過程實(shí)行自動(dòng)化辦公及生產(chǎn)實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)視。

機(jī)電一體化監(jiān)控系統(tǒng)主要采用工業(yè)以太網(wǎng)傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)井下各種傳感器、變送器、數(shù)據(jù)采集卡（含無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊）傳輸，保證數(shù)據(jù)的可靠性和安全性。系統(tǒng)可與計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等組成監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集各種生產(chǎn)參數(shù)。采用進(jìn)口工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井各種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。支持多種通信協(xié)議，包括工業(yè)電視、3G無線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，以及基于Web的實(shí)時(shí)監(jiān)控信息發(fā)布平臺(tái)。系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過Internet網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心相連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)控制，用戶通過網(wǎng)絡(luò)將各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控中心。采用工業(yè)以太網(wǎng)傳輸技術(shù)，通訊速率可達(dá)10 Mbps。系統(tǒng)具有靈活的組網(wǎng)功能，可以實(shí)現(xiàn)與上級(jí)管理中心的局域網(wǎng)互聯(lián)互通?？伸`活組網(wǎng)，支持用戶自定義組網(wǎng)結(jié)構(gòu)和配置模式，實(shí)現(xiàn)任意兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，可以方便地?cái)U(kuò)展系統(tǒng)功能，十分適用于煤礦生產(chǎn)過程中對(duì)礦用提升機(jī)、皮帶輸送機(jī)、滾筒膠帶機(jī)等各類運(yùn)輸設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控及故障報(bào)警處理。

煤礦機(jī)械機(jī)電一體化監(jiān)控系統(tǒng)軟件分為主程序和子程序兩部分。其可以實(shí)現(xiàn)井下各類運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，實(shí)時(shí)顯示各種儀表、電機(jī)的工作參數(shù)。通過控制開關(guān)進(jìn)行控制，系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)，以TCP/IP協(xié)議為基礎(chǔ)的分布式數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)?？蓪?duì)煤礦井下各類運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、工作參數(shù)、運(yùn)行軌跡等信息實(shí)時(shí)監(jiān)控，并可各類設(shè)備故障報(bào)警，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種數(shù)據(jù)、圖形、圖像的顯示與分析并存儲(chǔ)各類數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控中心間的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信，通過 TCP/IP通訊接口與監(jiān)控中心各專業(yè)監(jiān)控室連接。在各專業(yè)監(jiān)控室配置相應(yīng)的計(jì)算機(jī)工作站以及相應(yīng)的傳感器及測(cè)量?jī)x表。數(shù)據(jù)可以在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心、遠(yuǎn)程控制站、井下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行顯示或打印，也可通過瀏覽器瀏覽。能夠較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)于礦山機(jī)械的監(jiān)控以及管理。

2.5 單片機(jī)

礦山機(jī)械機(jī)電一體化單片機(jī)煤礦機(jī)械的自動(dòng)化控制與智能化控制，要用到各種電氣設(shè)備。為了滿足不同需求，需要對(duì)這些電氣設(shè)備進(jìn)行編程。單片機(jī)就是礦山機(jī)械自動(dòng)化控制的核心。機(jī)電一體化單片機(jī)是由AT89C51單片機(jī)為核心構(gòu)成，其主要功能是能夠通過串口與PC機(jī)通信，可以進(jìn)行程序的編制。其擁有一個(gè)大容量FLASH存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)程序等資料。礦山機(jī)械機(jī)電一體化單片機(jī)主要用于煤礦開采中控制設(shè)備的工作方式，以達(dá)到控制設(shè)備工作效率與準(zhǔn)確性的目的。

3 結(jié)束語

礦山機(jī)械機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用與使用過程中，其能夠提升礦山開采工程的質(zhì)量與效率，促進(jìn)礦產(chǎn)資源的發(fā)展，使其能夠在開采過程中獲取到更多礦產(chǎn)資源。通過對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)、集成系統(tǒng)、單片機(jī)等部分進(jìn)行機(jī)電一體化處理，能夠有效提高礦產(chǎn)機(jī)械的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展。

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