矿山机械中机电一体化技术的应用研究

卜宏基

摘 要：探究矿山机械中机电一体化技术的应用，针对矿山机械机电一体化的意义进行阐述，从应用方法以及应用策略两个方面，分析机电集成驱动、传感器定位、支护设备、监控系统以及单片机的机电一体化技术应用情况，旨在提升矿山机械机电一体化的应用效果。

关键词：矿山机械；机电一体化；机械技术

中图分类号：TH-39                               文献标识码：A                                  文章编号：2096-6903（2023）06-0048-03

0 引言

矿山机械机电一体化技术是一种使用计算机技术以及网络技术，实现矿山机械设备操控与监控一体化的技术类型。采用机电一体化技术能够促进我国工业现代化发展，提升生产的效率和质量，是现代化工业的一个发展方向。

1 矿山机械机电一体化的意义

在未开展机电一体化之前，手动开采是主要的矿山作业方式，其不仅开采效率低，开采过程中还会因为施工人员自身的失误造成安全事故。而矿山机械机电一体化技术的出现与应用，可以降低人工开采的时间，且精密程度以及开采效率更高，还可以降低施工人员在开采过程中出现安全问题的概率。

我国的物产资源丰富，矿产资源储量较大，类型多样。但是由于部分矿物处于薄矿层，开采难度较大。开采人员在开采过程中可能会因为人工的开采极限性，导致矿产开采的效率并不高。使用矿山机械机电一体化技术，能够将难以开采的矿层中未被发现利用的矿产资源探测并挖掘出来，为我国的矿产资源开采提供更加丰富的矿产资源[1]。

2 矿山机械机电一体化应用

2.1 机电集成驅动

矿山机械开采工程不仅仅是针对地下的矿石资源进行单一地探测以及开采，还需要将开采出来的矿石提升以及运输等，才能形成一整套矿山开采流程。矿山机械机电一体化指机械系统与机电系统之间相互关联、相互作用，并以此为基础形成一个有机整体，通过信息传递和控制实现其功能。

可以根据矿山机械相关要求来选择井下运输设备，它包括有液压搬运车、汽车式、轨道牵引式和无人驾驶的运输机等产品，这就为矿山机械机电一体化技术在井下应用奠定了良好的基础[2]。

矿山机械机电一体化技术是当前先进的现代管理技术之一，其将各个单元有机结合起来形成一个整体，能够有效提高整个矿山企业的效率和水平，可以使整个企业实现高效节能，并有效降低成本投入，使企业实现高效生产。

机电一体化系统的控制主要有两种方式：一种是基于计算机的控制，即通过应用信息采集技术和网络通信技术来实现自动化控制。另一种是基于电力电子的控制，即采用先进的电子元器件和机电一体化产品。

当前井下辅助运输系统主要由矿用绞车、轨道衡、刮板运输机以及电动装载机组成，其主要作用有两点：一是提升矿车运输能力，二是保障井下设备安全。

运输设备包括以下3种类型：①遥控型。其遥控距离在10～15 m，控制系统包括电源系统、信号传输及无线装置。②遥测遥信通信型。用于将井下遥控装置与地面遥测信息相连接，实现远程遥控。③自动型。通过红外传感器，自动获取井下目标物及相关信息，完成对其探测和识别、跟踪、定位等任务[3]。

矿山机械机电一体化技术还可以实现矿井下无人驾驶。该系统由无人驾驶车辆、远程控制中心、无线网络通信系统、地面控制中心和地面监控等部分组成。在矿井下使用时，可以通过无人车实现井下运输任务。也可以实现运输过程中的安全监测，避免出现事故。煤矿井下车辆自动定位与导航系统可以对车辆进行实时监控，保证车辆的行驶安全。在无人驾驶模式下，可以利用井下传感器来实现监测和控制，如红外传感器、激光雷达传感器、视频摄像头等，自动对车辆进行定位检测。智能化控制技术、无线通信技术与计算机技术相结合的方式，大大提升了智能驾驶的自动化程度和安全性。

2.2 提升设备

提升设备是矿山机械机电一体化技术应用中比较重要的设备类型，在机电一体化技术的改进下，可以采用先进的PLC可编程控制器控制技术提升机运行状态，采用高精度GPS定位技术确保矿用提升机在井下作业过程中不需人员值守，配备防爆性能优越的电源系统使矿用提升机连续运转无故障。通过设计PLC编程实现了智能化自动控制与人机界面操作监控，配合使用井下专用传感器（CCD等）对采集到的数据进行处理后，实现了对提升机设备的实时检测[4]。

其中提升设备由主梁、电动机和减速器3部分组成。电动机通过联轴器与主梁相连，减速器则采用行星齿轮减速器。矿用提升机由主、从机构和安装在主从动端的驱动机构组成。主从机构通过传动轴驱动主从动端，其中传动轴一端为输入轴，另一端为输出轴，驱动部分装有电机等。主从机构采用齿轮传动，减速由电动机完成。经过机电一体化技术改进提升机，结构设计合理、结构紧凑、性能可靠、工作稳定可靠，可用于矿井下的各种设备及机械动力装置的提升运输，也可用于井下其他辅助设备的提升工作。该产品适用于矿井下各种型号的提升机使用。

提升设备在应用中包含机电一体化技术数据采集系统。该系统通过对井下矿用提升机的运行状态、速度、位置、工作电压以及故障等信息进行采集，并上传到地面监控中心处理。通过数据传输及处理系统，通过计算机、网络等技术将数据进行传输，并对井下的实时监测信息进行处理。根据监测到的信息和设备的实际情况，及时做出正确的判断。数据处理系统对监控中心采集到的实时监测信息，与系统内存储的历史监测信息进行对比分析后，确定当前设备存在的故障，进而对故障原因及可能造成灾害的程度进行分析。

矿山机械机电一体化技术能够在基于GIS（地理信息系统）技术基础上，实现数据集中管理和综合应用。3G网络技术作为一种新型信息化通信手段、具有大容量、高速率、低时延等特点。4G作为第三代移动通信技术具有覆盖范围广、低成本和大容量等优点，且具备移动通信能力强和抗干扰能力强等特点。5G作为第四代移动通信技术具有网络覆盖广、速率高、低时延及万物互联等优点。

操作过程中，其操作程序比较精密，用户登陆时，程序先对用户进行注册，然后再进行人机界面操作。程序设计时，对参数设置和系统运行状态设置要合理科学，并有专人负责检查和修改。当系统运行出现异常时（如系统通讯中断、设备参数设置错误、保护开关误动作、传感器不工作等）应立即停机。操作界面要简洁、直观、易懂，便于操作人员使用。用户必须在“设置”菜单下的“网络参数”栏目下设置“通信地址”和“系统参数”中的参数，如计算机的地址、网络连接情况等，用户还可以通过修改“安全配置”中“安全级别”的方法来实现安全功能。

2.3 支护设备

矿用液压支架是一种将液压动力站、电动机、控制箱、电器柜等组成的矿山机械。它可实现液压支架的升降、偏转和俯仰，还可以进行自动控制和遥控操作。矿用液压支架是井下采掘工作面安全可靠的支护方法之一。矿用液压支架具有良好的支护性能，尤其是在大倾角、高地应力条件下更显示出它的优越性。在矿井条件较差的地区使用矿用液压支架，不仅可以保证井下作业人员的安全，还能保障采掘工作面的正常生产。在井下采掘工作面支护时，需要经常对液压支架进行维修和保养。

矿用液压支架主要由液压系统、工作机构3部分组成。在机电一体化技术影响下，其自身的性能作用更加重要。井下工作中，支架的升降与偏转是工作面支护工艺中的关键环节，所以支架的主要结构由液压控制系统和电气控制系统组成。矿用矿用液压支架采用单支柱、双支柱和三支柱的布置形式，主要是为了适应不同煤层厚度和倾角下的需要。

矿用液压支架工作机构包括液压缸、马达、减速器、行程开关（或行程开关）及油箱（或换向阀）等。由于采用了先进的电液控制技术，矿用矿用矿井机械有良好的适应性，能完成各工作循环，提高了支护效率。此外还具有结构简单，制造方便，价格便宜和维护简单等优点[5]。

矿用液压支架采用液压传动。当矿用液压支架在工作面顶板移动时，工作人员通过操作按钮来控制其移动的速度，达到支护要求。矿用液压支架主要由主液压缸、配油管座、顶梁和两个侧柱等组成。其工作原理是主液压缸在支承压力作用下，通过活塞将工作压力传递给动缸，从而实现支护的目的。配油管用于将动力站提供的压力油送入两个侧柱内。顶梁能够在两个侧柱之间通过销轴连接，并通过连杆与动缸相连，当动缸缸体转动时，动缸和主液压缸体就能实现伸缩动作。之后由液压油泵供油给主液压缸，从而实现侧柱的伸缩动作，而两个侧柱之间是依靠销轴连接的。

2.4 监控系统

矿山机械机电一体化监控系统由监控中心、远程控制站、传感器组成。矿山机械机电一体化（Industrial Mechanical System）是指利用计算机等先进的技术，对矿山机械设备和人员进行远程监测管理的技术系统。

其主要功能包括：①实现对矿用提升机等各类运输设备运行状态的实时监控和控制，并可以进行故障报警处理。故障诊断，便于及时发现问题并解决问题。②实现矿井设备自动化办公及生产过程管理，对井下各类设备、人员的实时检测与定位等相关参数进行采集。③通过传感器的监测，获得各类数据并显示在电子屏幕上。通过通讯接口与相关管理系统连接，实现设备远程控制，使矿山机械远程控制工作更加方便可靠。

通过本项目工程建设，可满足煤矿井下对运输系统和提升设备的自动化监测、实时监控等需求。在按照机电一体化标准建设过程中，其建设主要内容：一是建设矿山机电一体化监控系统硬件设施。二是搭建矿上计算機网络通信平台。三是实现井下各种监测系统、设备、人员在监控中心对矿井生产过程实行自动化办公及生产实时跟踪监视。

机电一体化监控系统主要采用工业以太网传输技术，实现井下各种传感器、变送器、数据采集卡（含无线网络通信模块）传输，保证数据的可靠性和安全性。系统可与计算机、通讯设备、计算机网络等组成监控系统，实时采集各种生产参数。采用进口工业以太网通信技术，实现对矿井各种监测系统的远程监控。支持多种通信协议，包括工业电视、3G无线数据传输协议，以及基于Web的实时监控信息发布平台。系统采用B/S结构设计，通过Internet网络与监控中心相连接，实现对各种现场设备的实时控制，用户通过网络将各种实时数据上传至监控中心。采用工业以太网传输技术，通讯速率可达10 Mbps。系统具有灵活的组网功能，可以实现与上级管理中心的局域网互联互通。可灵活组网，支持用户自定义组网结构和配置模式，实现任意两台计算机之间的网络互联互通，可以方便地扩展系统功能，十分适用于煤矿生产过程中对矿用提升机、皮带输送机、滚筒胶带机等各类运输设备的实时监控及故障报警处理。

煤矿机械机电一体化监控系统软件分为主程序和子程序两部分。其可以实现井下各类运输设备运行状态实时监控，并进行数据采集，实时显示各种仪表、电机的工作参数。通过控制开关进行控制，系统采用工业以太网通信技术，以TCP/IP协议为基础的分布式数据传输系统。可对煤矿井下各类运输设备运行状态、工作参数、运行轨迹等信息实时监控，并可各类设备故障报警，实现对各种数据、图形、图像的显示与分析并存储各类数据。实现与监控中心间的计算机网络通信，通过 TCP/IP通讯接口与监控中心各专业监控室连接。在各专业监控室配置相应的计算机工作站以及相应的传感器及测量仪表。数据可以在远程监控中心、远程控制站、井下各监测点进行显示或打印，也可通过浏览器浏览。能够较好地实现对于矿山机械的监控以及管理。

2.5 单片机

矿山机械机电一体化单片机煤矿机械的自动化控制与智能化控制，要用到各种电气设备。为了满足不同需求，需要对这些电气设备进行编程。单片机就是矿山机械自动化控制的核心。机电一体化单片机是由AT89C51单片机为核心构成，其主要功能是能够通过串口与PC机通信，可以进行程序的编制。其拥有一个大容量FLASH存储器，用于存储程序等资料。矿山机械机电一体化单片机主要用于煤矿开采中控制设备的工作方式，以达到控制设备工作效率与准确性的目的。

3 结束语

矿山机械机电一体化技术的应用与使用过程中，其能够提升矿山开采工程的质量与效率，促进矿产资源的发展，使其能够在开采过程中获取到更多矿产资源。通过对监控系统、集成系统、单片机等部分进行机电一体化处理，能够有效提高矿产机械的质量，实现矿山生产的进一步发展。

参考文献

[1] 齐朋亮.机电一体化技术在矿山机械中的应用研究[J].建筑机械，2022（9）：54-57.

[2] 陈明君.机电一体化技术在矿山机械中的应用[J].矿业装备，2021（5）：264-265.

[3] 郑慧杰.机电一体化技术在矿山机械中的应用[J].当代化工研究，2021（8）：60-61.

[4] 孙威伟.基于机电一体化系统在矿山机械中的应用分析[J].中国石油和化工标准与质量，2020，40（17）：155-156.

[5] 高峰.机电一体化技术在矿山机械中的应用论述[J].石化技术，2020，27（5）：236+234.