煤矿机电一体化.pdf

第6卷第 1期 1 9 9 7鼻 [ 圃、， j，、＼ j 、＼一、、＼／ 0 2 7 燥矿机电一体化一 7 堡生茁一中国矿业大学，棘州． 2 2 1 0 0 8 [ 摘要] 阐述了机电一体化的发展和特征，探讨了煤矿机电一体化的发展前景和相应的技术。躺 ] 二生批 1 机电一体化的发展及特征 7 O年代日本提出一个新的概念和领域，他们用机械学 m e c h a n [c s 和电子装置或电子学 e l e c t r o n i c s 这两个英文词拼组成一个新的名词“ m e c h a t r o n i c s ” ，我国译为机械电子学，并俗称机电一体化。当初日本是把利用机械装置进行信息处理的机器改变成利用电子电路处理信息的机器，以减轻装置的重量和缩小体积，进而赋予机械比过去高得多的功能和柔性” 这样一类新的机械产品称为机电一体化产品。随后日本政府先后颁发了 “ 机信法” 和“ 机电法” ，推动，日本机电一体化技术和产品的发展。8 0年代初日本机械振兴协会经济研究所将机电一体化定义为 “ 在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进了电子技术，并将机械装置和电子设备以及软件等有机结合起来构成系统的总称” 。中国大百科全书自动控制与系统工程分册 1 9 9 1 定义机电一体化为“ 研究将电子器件的信息处理和控制功能附台或融合在机槭装置中的一种复合化技术” ．并指出其研究目的是“ 将机械技术与微电子技术和信息技术有机的结合为一体，实现整个系统的最优化” 。因此，对其特征可归纳如下。 1 简单回顾机械产品的发展史，不难看出机电一体化产品正是机械产品在现代科学技术条件下发展的一种新阶段，并成为今后机械产品应普遍具有的重要标志，当然随着科学技术的发展将不断的改造和完善，因此要用战略观点去对待它的开发。 2 作为机电一体化技术，它将机械技术、微电子技术和信息技术包括自动控制技术和计算机技术有机地集成起来而不是简单的集合，充分发挥各自的优势和特点来提高机械的性能和扩太t | 功能。 3 作为机电一体化系统，它由机械主体、传感器、信息处理和执行机构等部分组成，其中不仅有硬件，还有相应的软件，结果使机械主体在机构上得到简化，另方面使其功能得到扩展，性能得到改善，智能化程度得到提高。典型的机电一体化系统有数控机床、加工中心、工业机器人等，同时也用于柔性制造系统 F M S 、计算机集成制造系统 C I MS 以及工厂自动化、办公自动化和家庭自动化应当指出，机电一体化做为新兴的高技术领域将不断发展而日趋丰富，它不仅没有一个固定模式，甚至还没有被普遍认同的定义，不同专业的人员往往从各自的专业侧面去理解它，难免在认识上带有一定的局限性。但是若从方法论的高度去认识，即把它看做维普资讯第六图书馆第六图书馆 6 煤 1 9 9 7牟第6卷是考虑事物的一种方法，就比较容易将认识统一起来。因此发展机电一体化技术和产品的正确途径应该是将机电一体化的思想与具体机械的需求和特征相结合，用不断涌现的新技术对机械产品进行改造使之不断地更新换代。 2 对煤矿机电一体化现状的估计既然机电一体化是高技术发展的产物，是随着技术的进步产生和发展起来的，且在它发展到一定程度才赋予它的定义和范畴，这表明机电～体化产品和技术与传统的机械产品和技术之间并没有明显的界限。我国煤炭战线近年来在引进国外先进技术与装备的同时，在采用电子技术、计算机技术和自动化技术对传统的矿山机械设备、装置及各类生产系统进行技术改造做了大量工作，成果显著，如各类机械设备与生产系统的工况、环境、灾害、故障等的监测、监控、预报及诊断系统；现代交流调速技术、采用新型电力电子器件的变流装置等在矿井提升机、胶带输送机及电机车上的应用，都是在充分发挥电子技术、计算机技术和自动化技术的各自优势基础上，使其性能和效率得到提高，同时也简化了机构。典型的产品如内藏式提升机和由电力电子器件组成的电动机软启动装置等，前者不仅有优异的性能而且机械结构大、简化；后者取代输送机的液力联轴器或变矩器，简化了机械传动机构，也使其性能和可靠性得到改善。显然这些机械或装置都具备机电一体化的特征，属于机电一体化技术和产品，这表明煤炭工业的机械设备已开始厂机电一体化的时代，今后的任务是确定目标、选好重点、全面规划、积极促进其发展。 3 煤矿机电一体化技术的发展方向矿山机械的工作环境和任务都有其特殊性，这应是探讨煤矿机电一体化的出发点，据此提出以下几个方向闾题共同探讨。 1 采掘机械遥控化。采掘作业是在极限条件下进行的，不仅作业空间狭窄、体力劳动繁重，而且有粉尘与潮湿的环境和灾害的威胁。因此采掘机械的机电一体化首要目标是实现遥控作业，将操作人员隔离在作业区之外的安全地带，遥控距离在 5 0 ～5 0 0 r il 或更远范围，以有线方式为主，也应进行无线方式的研究。从长远看，应发展在地面对井下作业进行遥控。从工业机器人及机器人技术的发展来看，极限条件作业环境是其重要的应用领域，对这类机器人普遍采用遥控方式，这样可降低划智能机器人的自主能力的要球。特别是当前工业机器人应用领域一个新动向是利用机器人技术，对现有的工程机械进行改造使之机器人化。因此可以认为采掘机械的机电一体化就是利用电子技术、计算机技术和自动化技术将其改造为遥控的机器人化采掘机械具体地说，对综采机组应该发展顺槽遥控国外机组已经实现进而由地面遥控，即是一个遥控的综合自动化系统，实现这一目标的关键技术是煤岩界面检测、机组的故障诊断和自动导航，其中包括传感器与检测技术、故障诊断与预报技术和路径规划与自动跟踪技术等；对掘进机械的机器人化改造要比采煤机组容易些，但应研制配套装置，如搬运与组装巷道支架的轻便机械手并使其工作与掘进相协调；对岩巷掘进的液压钻车，在国外已有称为凿岩机器人或计算机化自动钻车，它具有规划炮眼位置、控制钻孔方位、深度及监控钻进过程等功能。 2 矿⋯固定设备多功能化矿I l l 固定设备都是通过管网或装卸载运送装置构成生产保障系统或提升系统。因此在开发这些机电设备的机电一体化时，不能只考虑机械设备本身，而应作为一个完整的系统去综台考虑。其目标应包含整个系统工作过程或方式优化，而且优化是多目标的，如效率、产维普资讯第六图书馆第六图书馆第 1 期 i 午世范煤矿机电体化 7 能、成本以及节能等；系统运行的高可靠悻和柔性。应当指出，近年来我国煤炭战线在这方面傲了很多有益探索，但这些工作大都是分散进行的，没有构成完整的一体化产品，这里着重提出实现矿山固定设备系统机电一体化的几项技术问题加速对其电气传动的现代交流调速技术的改造，以变频调速技术为主体的现代交流调速的调速性能已达到了直流调速系统的指标，而异步电机又具有结构简单、价廉耐用和易维护等优点，它最终将取代直流调速已成定论，因此它不仅是矿井提升机技术改造的方向，而且在国际上已普遍用于风机和泵类的传动与调速并取得显著节能效果而成为工矿节能的重要措施，尤其在矿井风机上采用交流调速技术直接调节风量，不仅简化通风系统的结构、节省电能．而且大大提高对井下用风量改变的快速响应能力．对保证矿井安全将发挥重要作用；充实监控内容、扩大监控范围，我国已有的监控系统主要是监测功能，实时反映设备或系统的工况，进行故障报警、监控作用未得到充分发挥。为此应增加对矿山固定设备与系统的性能在线检测功能，吭实和完善故障诊断与预报功能．并与生产调度及维检计划连网以实现优化运行。 3 提高智能化程度矿山机械设备大都在不确定环境下工作，如采掘机械的负载随切割的煤岩的物理性质而改变．矿井涌水量、通风量的需求都带有一定的不确定性，还有些矿山设备本身的机理难以用准确的数学模型描述，或者本身的特性是随机改变的，跳汰机是最明的例子是这些机械设备或者本身特性、或者作业环境、或者工作任务是变化的或不确定的，给控制与检测带来嗣难．用常规控制或检测方法难以取得理想效果。正是这些因素促进了人工智能理论与技术的发展．特别是计算机技术为其实现提供强有力的工具，赋予智能并不断提高其智能化程度是发展煤矿机电一体化的重要方向和研究内容。应当指出，在工程技术界对智能的理解很不一致，甚至存在片面的认识，如认为只要用上计算机就是智能化 r 。智能是人们认识客观事物并运用知识解决实际问题的能力，它表现为运用知识认识新情况、解决新问题、学习新方法、预见新趋势、创造新思维的能力。人工智能则是运用人工手段模仿人类的智能行为。智能控制与智能自动化的出现被认为是控制理论和自动化技术发展到一个新阶段的重要标志，是当前最活跃和高速发展的一个学科和技术领域。其中的规则控制、模糊控制、专家控制系统、自适应控制以及神经元网络等方法对解决具有不确定性的复杂控制与检测问题都是行之有效的．特别是在煤矿机械设备、系统以及环境的控制、检测、诊断及预报等方面不少都是需要用人工智能的方法来解决的。 4 数字化、微电子技术与计算机技术的发展使数字技术在工业控制、检测与信息传递等方面越来越显示其优越性，这也是机电一体化产品的一个重要特征。用软件实现部分硬件的功能将使系统硬件结构简化，同时采用计算机之后，可以通过程序修改使系统功能柔性化．使用者可以方便地进行扩展和修改，从而提高了机电一体化系统的可靠性、实用性和性能价格比．也使信息的敬能得到进一步发挥，保证系统的整体优化。这里应指出今后一个重要问题是加强在井下条件使用单片机和嵌入式计算机的研究工作．使煤矿机电一体化产品的质量和性能不断地完善与提高 5 新型电力电子器件。以电力电子器件为核心的电力电子技术是 7 0 年代兴起的高技术产业并成为机电工业的基础技术和改造传统产业的有力手段。因此它在煤矿机电一体化中占居重要地位。从应用的观念出发，属于第二代电力电子器下转第2 2页维普资讯第六图书馆第六图书馆煤 1 9 9 7年第6卷中的变形能，达到了延缓底鼓之目的。 3 采用爆破注浆法形成的“ 混凝土反拱一注浆加固体一锚杆” 联合治底措施在一定条件下是行之有效的。 4 P 2 ， i 1 ， 2 ， 3 ， 4 计算公式和 1 O 、 1 1 式是根据弹塑性理论、极限平衡理论和流变理论而建立起来的，可对爆破注浆防止底鼓方法进行优化设计，也可对经爆破注浆加固后的巷道底板的稳定性和稳定时间作出较准确的分析和预测。收稿日期 1 9 9 6 1 0 1 5 责任编辑郝建国参考文献 1 陈宗基．地下巷道长期稳定性的力学问题．岩石力学与工程学报． 1 9 8 2 ． 4 2 F ． F ．利特维斯基．准备巷道底鼓机理．井巷地压与支护， 1 9 8 7 ， 1 2 3 郑雨天．岩石力学的弹粘塑性理论基础．北京煤炭工业出版社， 1 9 8 8 1 8 0 ～2 4 1 4 T j o n gK i e ， T a n a n dWe i F a 1 ． o e k e d i n S t r e s s 一器． c r e e p a n d d i l n t a n c y o f r o c k s a n d c o n s t i t u t i v e e g u a t i o n s r o c k Me c h a n i t s ， 1 9 8 0 ， 1 3 作者简介张向东，男， 1 9 6 2年生．副教授，博士研究生主要从事岩土工程的教学与科研工作，先后发表有关学术论文4 0 篇。上接第7页件的绝缘门极晶体管 I G B T 被公认是最有发展前途的，而近年出现的功率集成电路 P I C 将强电与弱电结合起来，将信息与动力统一起来，是机和电的关键接口和机电一体化的基础部件。这些器件在变频、逆变、斩波等装置中将会发挥重要作用，应给以极大地关注。 4 结束语机电一体化是现代自动化技术最有代表性的杰出成果，它是顺应生产发展与社会进步的需要而诞生和发展起来曲，而信息技术和微电子技术为它的实现创造了条件。它既是当代高科技的象征，又是机械产品发展到一个新的历史阶段的标志。因此在展望 2 1 世纪煤炭工业，特别是矿山机械设备与系统的未来前景时，必须将发展煤矿机电一体化当做最重要的一项工作并以此来促进煤炭工业现代化的进程。为此应抓紧关于煤矿机电一体化的人员培训与再教育．提高煤炭行业对机电一体化的认识，另一方面应加强薄弱环节如传感器的攻关，选好典型产品．以点带面，逐步推广，同时在开发具体产品中必须密切结合国情，根据需求与实现的可行性分层次、由初级向高级发展，在指导思想上坚持以效益为目标，需求为依据，使我国煤矿机电一体化产品和技术得到积极、有序、健康地发展．早日赶上和超过世界先进水平。收稿日期 1 9 9 6 - 0 8 1 0 责任编辑汤林参考文献 1 许世范．自动化技术的发展及煤炭工业面临的挑战与机遇．煤矿自动化， 1 9 9 5 ， 2 2 季维发，等．机电一体化技术．北京电子工业出版社， 1 9 9 5 作者简介许世范．男， 1 9 3 1 年出生，教授。1 9 5 6年北京矿业擘院露是矿山电工专业研究生毕业，现在中国矿业太擘自动化幕任教，博士生导师，享受国务院额发的有突出贡献的政府特珠津贴，长期从事蝶矿电气传动与控制的研究工作，在国内外擘术鲁议厦期刊上发表学术论文近 7 0 篇。维普资讯第六图书馆第六图书馆