机电一体化技术在煤矿上的应用与展望.pdf

i 9 9 4年摹1 期 山 东煤 炭 科 被 问题探讨 -一 ℃ 彘 ， 壤 ，兹 违丧 机电一 体 化技 术 在煤 矿上 的 应 用 与 展望 山东矿院济 南分院干修 弋 D ， 7 摘要丰文筒介 了机 电一体化技术 的基本概念， 论连 了机 电一体化技术与相差 技 术的关系， 指 出 了在煤矿 上应 用机 电一体化技 术的必要性。 关键词机 电一体化应用 展望 1 机 电一体化的撅念 所谓 机 电一 体化 Me c h a t r o n i c s 这 个 名 词起源于 日本 ， 日本{ 机械 设计 杂 志 i 9 8 4 年 增刊～文 中指 出 。 机 电一 体化就是利用徽 电 子 技术 ， 最大陬 芝地 发挥机械 能力的一 种 技 术 ．日本机械振兴协会经济研究所 1 9 8 1 年 3 月的解释 。 机 电一体 化乃 是机械 的主功 髓、 动力功能、 信息功能和控制功能上引进徽 电子技术 ， 并将机械装置与 电子装置用相关 较件有机结合而构成系统的总称” ．概括地 讲， 机电一体化是机械工程学与电子学在机 械产品设计开发中的有机结合 ， 是教电子技 术和信息处理技术最大限度地熔入机械本体 韵结皋 。 由于教电子技术的迅速发展和应用， 产生了第三次技术革命 ， 出现了一系列具有 各种优异功能的技术和产品 ， 使机电设备的 面貌一新． 国内外大量实践证明 发展机电一 体化技术 ， 是开 发新产品 、 改造老设备行之有 效的技术措施 我国霸 c 炭系统近几年引进和更新 了一批 机 电设备 ， 但总 的看大部 分机 电设 备 比较 陈 旧 ， 只相 当于 国际六 十年 代 、 甚 至五 十年 代的 水乎 。主要表现在质量较 差 、 生 产效率 低 、 能 耗高 ， 如何应用机电一体化技术改造老设备， 改善设 备性 能 ， 降低设 备能耗 已势在必行 。 2 机电一 体化技术 的表现形式 机电一体化集机械和 电子于一 中蜂体 内， 从使 用角度看 ， 机 电一体化产品表剪 度的自动化、 智能化、 功率强大且操作简便。 机 电一体化表现形式 主要 有四个方 面 ； 2 ． 1 采用微 电子控制实现产 品的多功能和 高性能 数控【 N c 机床， 它可以通过输入设备设 定各工序的操作 ， 使机床加工全过程 自动化 。 全 自动洗衣机 可自行 完成洗衣 程序．全 自动 照相机可 自动调焦 ， 自动测光对光 圈 ， 操 作者 仅需按一下快 门。 2 ． 2 机 械 武控制机构被 电子装置取代 电子缝纫机 中的微 处理器 代替 了传统的 凸轮连 杆机构 。工业锅炉用微 电子技术 改造 后， 炉温稳定 ， 燃烧效率高 ， 一台 1 0 ～2 0 t 的 工业 锅炉平均煤耗可下降 6 ～ l O 。 2 ． 5 机 械式信息处理机构被 电子装置取代 指 针式 石英钟 ， 它 以石 英 晶振 电路和 微 型步进 电机替 代复 杂的发 条 、 齿 轮和 游丝机 构 ， 完 成信 息的处 理功能 ． 使钟表性 能提 高 ， 维普资讯 山 东 煤 炭 科 技 1 9 9 4 年第1 期 成本 降低。 2 ． 4 机 电互补 ， 有 机 结合 ， 创 造 出诸 多隹 现 当夸高科技 的精 密仪器和设备 机 电一体化产 品不是机械技术和 电子技 术的简单叠加 ， 而 是相互 补充的有 机整体 在 进行设 计 时 ， 应 当机械技 术和 电子技 术 统一 考虑 ， 即采用机电互补的设计方法 ， 充分发挥 各 自优势来组成最佳 的机 电一体化 产 品。机 电互 补有 以下两 方面 的含 义 1 用适 当的通 用或专 用 电子部 件 取代 原有 产品 中的复杂机械 功能部件或功 能子系 统。在一般工作机构中利用微型计算机来取 代机械 凸轮 、 气 动、 液 压等 机构 ， 以简化 机械 设计 ， 而且 也能提高产 品的性 能和 质量 。 一般 认为工业机 器人是机 电一体 化互 补设 计的一 个典型 。 2 机 电一 体化产 品性 能的提高 不 是 由 某 一方 面引起 的 ， 而是 机 电两 者共 同作 用 的 结果 。机电系统的各项性能参数应当统一考 虑 ， 用系统分析 的观点 从技术和经济 角度决 定构成系统的机、 电元件的功能划分。 从控制 理论 角度来看 ， 机 电一 体化的整体 动 力学指 标取决于机、 电环节的综合参致。例如 ； 电液 伺服阎和 电液比例阀， 其本质都是甩电流控 制液 压系统参数 的机 电一 体化 产品 区别在 于 为达到 同样 的控制 目的 ， 需要输 入 的电流 有较大的差异 ， 原因是两种阗的电 位移 压力 转换器件 的参 致不 同。伺服 阀输入的 电信号 约到几mA 转换阀位移 压力 后， 并没有直接控制输出的液压参数 ， 而往往 经 由一个“ 喷咀挡板” 液压放大环节 ， 将位移 压力 进一步放大后控制输出级。 比例 电磁 阀则直接用放大的电流控制输出级的工作。 5 机电一体化的技术基础 机 电一体化技术的基础是精 密机械技术 与徽 电子 技术的进步 ， 而更 重要 的是 微 电子 技术 的进 步 ， 微 电子 技术在 机 电一 体 化中扮 演重要角色 。 作为一 门边缘技术 ， 机电一 体化 是 在许 多相 关技 术 发展的基 础上 发 展的 ， 在 机 电一 体化系统 中， 检测 传感元 件 收集外 部 信息， 在依照控制模型写成的软件作用下， 由 一 微处理 器对信 息进 行运算 或处理 ， 晟后通 过 一 伺服驱动环节执行 微处理器的指令 。这就涉 及到传感技术、 信 息技术、 自动控制技术、 机 械 技术 ， 并需用 总体 技术进 行 系统 的综 合设 计 。 5 ． 1 传感幢测技术 检测传感器属于机电一体化系统的感觉 元件， 检测传感器的检测对象有温度、 流量、 压力 、 位移 、 速 度 、 加 速度 、 力和 力矩 等物 理量 以及 物品的几 何参 数等 ， 其检 测精 度 的高 低 直接 影响到机 电一体化系统 的成 败 。因此要 求 检测传感 器具有 高精度 、 高灵 敏度和高 可 靠性 。 5 ． 2 信息处理技术 信息处理技术包括信息的输入、 交换、 运 算 、 存储和输 出技术 ， 因而信 息处理技 术包括 软件和硬件两部分； 硬件有微型计算机或可 编程 控制器 Pc 、 输入 ～输 出 I ／ o 设备 、 模 一 致转换器和数一模转换器 D ／ A 接 口、 显 示器和磁盘驱动器等。 信息处理是否正确、 及 时 ， 直接影响机 电一 体化 技术 的质量和效率 ， 因而成为机电一体化技术的关键技术。 5 ． 5 伺服驱动技术 伺服驱动技术主要是指执行系统和机构 中的 一些技 术 问题 伺服 驱 动 包括 电动 、 气 动、 液压菩各种类型 伺服驱动技术是直接执 行操作的技术。对机电转换部件 如电机、 液 压马达等执行元件的精度要求更高 可靠性 更好 ， 响应速度更 快 。对 直流伺 服电机 ， 要求 控 制性 能更好 高分 辨率 和高 灵敏 度 ， 速度 和扭矩特性更 稳定 。交流调速 系统 的难 点在 于 变 频调速 、 电子逆 变 技术 、 矢量 变 换 技术 等 。气动和 液 压系统 中 ， 各种元 件都 存在性 能 、 可靠性 、 标准 化 、 减轻重量 、 小型 化等多方 维普资讯 1 9 9 4年第1 期 山 东 煤 炭 科 技 4 9 面的 问题 。 5 ． 4机械技术 为提 高机 电一体化 产 品的性能 ， 机 械本 体必须改 善性 能 ， 减轻重量和 提高 精度 。 减轻 重量 、 缩小体积而不能 降低机 械的刚度 ， 除考 虑静态、 动态的刚度及热变型外， 还要提高导 轨 面的 刚度 ， 同时 ， 在设 计 时 ， 要 考虑 采用新 型复 合材 料和新型结构 。 5 ． 5自动控制技术 自动控制技术包括高精度定位控制 ， 速 度控制 ， 自适 应控制， 自诊断、 校正、 补偿、 再 现 、 检索等 技术 ， 这些都是 机 电一体化十分重 要 的关 键 技术 ， 其技术 难 点是现 代控制理 论 的工程化与实 用化以及优 化控制模型的建立 等 。 5 ． 6 系统总体技术 机 电 一体化是一 项 系统工 程 ， 机与 电是 相互补充 的有机 整体 。 从 系统观 点出发 ， 一个 具有一定功 能的系统可 以分解成几个具有子 功能的子 系统 。 对于机 电一体化 系统 来说 ， 在 总 体技 术 阶段 要做 的工作 包括 系统 的分 解 方 案 ， 每一子 系统 用机械还 是 电子器 件完成 ； 某一功能用硬件实现还是靠软件实现； 子系 统 之间的接 口和功能协调 问题 等。总体技术 涉 及 的具体 问题很多 ， 诸 如接 口及接插 件 的 标 准 化 、 功 能 件 的模 块 化 软 硬 件 的功 能 划 分 、 系统 的成套性等 。 4 机 电一 体化 技术在 煤矿 上的应 用现状 与 展望 机 电一体化 技术在煤 矿上 的应用起步较 晚 ， 面对新技 术革命 的挑 战 ， 应从两个方面着 手 一是改造 『 E l 设 备 ， 二是 逐步 引进机 电一体 化产品 。 4 ． 1 可编程 茬制器 P C 的应用 可 编 程 控 制 器 P C 是 以 徽 处 理 机 c P U 为核心的工业生 产过 程控制装 置 。可 取代传统 的顺 序控制器 、 继电器控制逻辑 、 二 极管 矩 阵逻 辑等 ， 是加速 工业 技术 改造和 过 程控制 自动化 的方 便而 先进 的工具。它具有 体积 小、 结构简单 、 抗干 扰能力强、 可靠性高 、 易于编程 、 使 用操 作方便 、 便于 维修 、 价 格便 宜等特点。P C是一种介于计算机和简易顺 序控制器 之 间的 自动控 制装置 ， 兼 有计 算机 和 简 易顺 序 控制器 的一系列优 点 ； 它对 各种 生产机械实现机电一体化具有重要作 用 。例 如 究 州矿务局鲍 店煤 矿洗煤 厂 P C 集控 系 统、 龙 口矿务 局梁家煤矿 地面配煤皮带 的 P c 控制 系统、 兖 州矿务 局东滩 煤矿井 下 中 央 泵房大 型水 泵起停 过 程及 保护 作 用 P C 控制系统等 ， 都表现出良好的性能和高度 的 可靠性 。可 编程控制器具有极强 的现场 适应 能力， 且采用浅显易懂的继电器逻辑语言进 行编程 ， 现场人员易于操作 。 4 ． 2 提 升机 电气驱 动系统 随 着大 型矿井 的不断 出现 ， 提 升机 直 流 驱 动系统 越来 越广泛地 得到 应用 ， 老 的直 流 拖 动 系统 大多 采用 电动机一发 电机机 组 即 F D机组 的驱动方式 。随着 电力 电子 技术 的 兴 起 ， 特 别 是 晶 闸 管 、 可 关 断 晶 体 管 GTO 、 大 功率 晶体管 GTR 的发展 ， 用 其 组 成 的变 流 器 完全取 代 了电 动机一 发 电机 组 ， 用其组成 的交一 交变 频 设备 可 以对 交 流 电动机进行平滑调速 ， 目前 已替代了用于爬 行 阶段 的低频发 电机组 。在控制 系统 中采用 微 机使控 制 系统不但具有 完善 的保 护监 控功 能 ， 而且在 出现故 障时具有 自诊 断功 能 ， 从而 提 高了系统 的可靠性 。 4 ． 5 提升机位置监测指示用的“ 后备保护装 置 ” 这是用 微电子技术和 传感器取 代机 械装 置 的一个典型例子 。旧系列提 升机 使用的位 置 指示监测 系统是纯机械 的牌 坊式 深度指示 器 ， 由齿 轮 蜗 轮蜗 杆 一丝 杆一螺 母构 成 位 置 指示及与行程开关配合构成监测环节 。 “ 后 维普资讯 5 0 山 东 煤 炭 科 技 1 9 9 4 年第1 瑚 。 。 降低原煤电耗的主要方 向和途径 山东省煤炭I业管理局 兰茎直 一 摘要降低原煤 电耗是 降低煤 炭成本 、 缓和用 电紧 张 的重要途径 。 在 日前生产 条 件 下， 降低原煤 电耗 的方法主要有 筒少 生产 工艺、 集 中生产 ； 对 现有 的提 升、 排水 、 压 风、 通风 、 供 电系统进行 改造 ； 采用 节能新设 备、 推 广新技术 、 新产 品、 新 工 艺； 加 强用 电管理 ， 推行用 电承包 。 关键词原煤 电耗煤炭成本途径 电 ， 煤矿用电情况分析 ／ 开 拓 害 煤矿用 电包括两 大 部分 一是 原煤 生 产 产环节 等 因素 。 目前单产单进水平偏低 ， 如果 用电 ； 二是辅助生 产用电 ， 而原煤生 产用 电约 提高单 产单 进水平 ， 减少矿井工作面个数 ， 则 占企业用 电量的 7 0 ～8 0 左右 。 根据近几 其 占用的设 备将大大 减少 ， 用 电量必然减少 ． 年 某 省煤 矿原煤 用 电情况 的分析 统计 资料 2 随 着煤 层开采深度 的加深 ， 范围的扩 占总用电量 比例 提升 用 电约 占 1 3 ， 运输 大 ， 生 产工艺 流 程环 节复 杂 ， 生 产水平 多 ， 采 设备用电约占 9 ， 排水 用电约 占 3 1 ， 压风 区分散 使提 升 、 排水 、 通 风、 运输 供 电 系统 的 用 电约 占 7 ， 通风用 电约 占 1 2 ． 5 ， 机 修用 环节多 ， 距 离远 ， 占用设备多 ， 耗 电量增 加 。 如 电约 占 3 ， 采掘机械用 电约占 1 7 ． 5 ， 其他 某矿年产 3 3 3 t 矿 井 ， 开采 深度达 6 1 3 m， 走 向 用 电占 7 。由此看 出 当前 影响矿井吨煤 电 7 ． 3 k m， 倾斜 5 k m， 四个水平有三个水 平 同时 耗加大 的 因素相 当复杂 ， 但就 其主要 影 响 园 生 产。多级提 升 ， 排水 、 运输、 通风 困难 ， 占用 素概括起来有以下几个 方面 设备 3 2 9 5台 ， 供 电分散 ， 距 离长 ， 耗 电大 ， 吨 备保 护装置 ” 能 够 完成 “ 深 度 指示器 的全部 功能， 但将机械环节甩掉。它通过传感器 霍 尔元件或千簧管式 将提升机滚筒的转角变 换成 脉 j 巾信 号 ， 然后 由微处理 器对 脉 j 巾进 行 计数 、 运算 ， 最终 以数字 形式给 出提升容器 的 位置 ， 并在 给定 的位置 上发 出相应 的控制 信 号 减速 、 过 卷等 。深度 指示 器上的“ 限速 凸 轮 板 ” 式限速 机构 亦可 用纯 电子的给定 积分 器 代替。 4 ． 4 矿用 工业锅 炉用微 电子技术 改革后 ， 炉 温稳定 ， 燃烧赦率 高 ， 一台 1 0 ～2 0 t二业锅炉 罩均 煤耗 可 下 峰 6 ～ 1 0 ， 垒 国煤矿 用 工 业锅 炉 殴设都用徽 电子技术 改造 的话 ， 经济 效益是相 当大 的。 4 ． 5 我国年发 电量的 6 0 消耗在中小型电 动机上 ， 其 中风机 、 水 泵用 电量 占一 半左 右 ， 如果采用微 电子技术使在 节流 情况 下运行 的 风 机 、 泵类 变速 运行 ， 则节 电潜力 很大 ； 而煤 矿上 的风机、 水泵用 电量很 大 ， 用微 电子技 术 改造的前景广阔 此外， 在综合采煤机组中也越来越多地 采用微 电子器 件和 电力 电子器 件 ， 提 高 了采 煤机 组的使用性能和 自动 化程 度 。其 他如工 业机 器人 、 数控 Nc 机 床 、 电子 秤、 自动 绘图 机 、 三 坐标测 量机 等机 电一体化 产 品均可应 甩于 煤 矿 9 1 维普资讯