进口采煤机电气控制系统国产化改造研究与实践

苏良碧，刘超华，李卓明

（中煤平朔发展集团有限公司井工设备维修中心，山西朔州 036002）

0 引言

通过对旧式进口采煤机进行国产化和智能化改造，可以有效解决以上难题。改造方案包括，对采煤机电气系统的关键部件、控制系统、通信与数据分析、控制算法、人机交互及安全性能等方面的升级优化。通过引进先进的设计理念和制造工艺，可以提高旧式进口采煤机的整体性能，降低生产成本并提高矿产回收率。此外，智能化改造将有助于提高采煤机的自动化程度和作业精度。通过采用人工智能技术、大数据分析和先进的传感器技术，实现采煤机的实时监控、远程操作和智能调度，进而降低人工成本、提高作业安全性和环保性能。

1 采煤机电气系统改造方案

1.1 整体设计方案

在采煤机电气控制系统中，机身外部操作按钮负责采煤机送电、启动与停机，专用遥控器负责参数设置、牵引调速、截割割煤、摇臂升降等功能，监测计算机负责监测采煤机运行状态和故障信息。此外，控制系统还应具备自动定位、状态监测、自主割煤、无线通信、记忆截割等主要自动化控制功能，从而能够实现对采煤机的自动化与智能化控制。电机温度、摇臂倾角、油温油位等信号通过传感器传输到数据采集模块当中，各个模块通过CAN 总线将运行数据和采集数据传递到主控模块，再通过机载专用数据传输电缆将数据传输到采煤机集控中心，此时视频监控系统、记忆割煤系统便能配合数据完成对采煤机的自动化与智能化控制[2]。

1.2 电气控制系统设计

1.2.1 系统硬件设计

随着采煤机在煤矿生产中的广泛应用，其所面临的工作环境和工作要求也越来越高，同时安全性也成为电控系统设计的重要考虑因素。因此需要对采煤机电控系统的硬件进行升级改造，以满足更高的工作要求和更严格的安全标准。

电控系统硬件的升级改造包括多个方面，主要分为主控制器、智能互感单元、温度检测单元、智能传感器模块单元、智能遥控接收器、电源模块单元等。

（1）主控制器。主控制器实现对电气系统所有单元及模块的监控功能，使用标准工业通信协议与采煤机其他电气单元与输入输出模块进行通信，通信协议包括CAN、RS-485、RS-232 等。

（2）智能接触器单元，其主要功能除了控制电机的启停外，还具有测量油泵电机电流、截割电机电流、牵引变压器电流的功能，采煤机集控中心在接收到这些数据之后，便能够完成对电机、变压器的短路、超温、过载保护。

1．2．2 青少年心理韧性量表 该量表由胡月琴等［7］共同编制而成，共27个项目，包括个人力和支持力两个因素，其中前者包含目标专注、情绪控制和积极认知3个因子，后者包含家庭支持和人际协助2个因子，各因子相关系数在0．12～0．56之间，量表内部一致性信度为0．83。个人力得分为目标专注、情绪控制和积极认知3个因子得分相加；支持力得分为家庭支持和人际协助2个因子得分相加。该量表采用5点评分法，1级（完全不符合）、2级（比较不符合）、3级（说不清）、4级（比较符合）、5级（完全符合），各因子得分越高，表明其心理韧性水平越高，抗击挫折的能力越强。

（3）温度检测单元的主要功能是测量油泵电机温度、牵引电机温度、截割电机温度、牵引变压器温度、电控箱腔体温度、油箱温度，采煤机集控中心在接收到数据之后，便能够显示电机和变压器的温度，并且完成相应保护。

（4）智能传感器模块单元，其主要功能是测量采煤机机身倾角传感器、摇臂倾角传感器、油压传感器、油位传感器、齿轮传感器、水流量传感器、位置传感器的模拟量和开关量，采煤机集控中心在接收到数据之后便能实现对智能传感器连接设备的保护。

（5）智能遥控接收器，其主要功能是无线遥控采煤机完成升降采煤机滚筒、启动和关闭油泵电机、设置采煤机运行参数等操作。

（6）电源模块单元。电源模块设计是电控系统改造的重要方面。采煤机的工作环境非常复杂，电源的稳定性和可靠性直接关系到采煤机的正常工作。因此，需要采用高效、稳定、可靠的电源模块设计方案，以确保电控系统的稳定供电和高效工作（图1）。

图1 采煤机电气系统结构

改造采用新型电子元器件，在性能、可靠性、寿命等方面有了显著提升，可以满足更高的工作要求和更严格的安全标准。例如，针对高温、高湿等极端工作环境，采用耐高温、耐腐蚀等特殊材料制造的元器件，可以有效提高采煤机电控系统的可靠性。

此外，电路板设计也是电控系统硬件改造的重要环节之一。电路板的设计直接影响到采煤机电控系统的稳定性和性能，因此需要采用先进的电路板设计技术和工艺，提高电路板的可靠性和抗干扰能力。

1.2.2 系统软件设计

随着信息技术的不断发展和应用，电控系统软件设计与开发成为了提高采煤机生产效率和安全性的关键因素。在电气控制系统软件设计与开发过程中，需要开发采煤机电控系统的控制程序和算法，以实现更高效、更准确的控制。为此，需要采用新型编程语言和开发工具，结合先进的算法和技术，可以利用人工智能和机器学习等技术，对采煤机进行状态监测和预测，以提高采煤机的运行效率和安全性。通过采用先进的控制算法和技术，如自适应控制、模糊控制、PID 控制等，可以实现对采煤机运动轨迹的更加准确的控制，从而提高采煤效率。此外，还可以采用图像处理技术，开发采煤机的智能化视觉系统，以实现对采煤机周围环境的实时监测和识别。这有助于提高采煤机的安全性和作业效率，降低事故风险。

1.2.3 电气系统设计

改造过程中，应遵循在不改变原有电控箱尺寸的情况下，对元器件的布局、电气系统做合适调整的原则。调整部分主要包括：顺槽控制台、器件布局、通信拓扑、电气线路、漏电故障监测、遥控接收电路、采煤机保护电路、液压控制回路、传感器检测回路、语音预警系统等。

改造后的采煤机电气控制系统不仅在防爆、防尘和防水性能应得到强化，也应提高设备在矿井内的安全性能，引入自动紧急停止功能，采煤机电气控制系统自动判断井下工作状况，确保操作员和设备在突发状况下的安全，同时还配置瓦斯检测和消防设备，提高采煤机在复杂环境下的自保能力。

2 采煤机控制系统智能化

智能化控制是采煤机电控系统国产化改造项目中的一个重要方向，采用人工智能技术可以实现采煤机的自动控制和自适应调节，从而减少人工干预，提高生产效率和产品质量。采煤机主要的智能化控制系统有机载自动控制技术、采煤机组远程集控技术和记忆截割技术，其中：机载自动控制技术将研发和应用先进的传感器和控制器，通过采用人工智能技术，实现采煤机的自适应调整和优化截割参数，根据实时数据和环境条件，自动调整采煤机的工作状态和控制策略，提高截割效率和设备寿命[3]；采煤机组远程集控技术将构建远程集控系统，实现对采煤机、液压支架和刮板输送机等设备的实时监控和调度，提高生产效率和管理水平（图2）；记忆截割技术将开发采煤机的记忆截割系统，使其能够自动识别煤层轮廓，根据预设的截割路径进行精确截割，降低人工误差和非生产性时间。通过实施这些智能化控制系统升级，进一步提高采煤机的生产效率、安全性和自动化水平[4]。

图2 采煤机智能化自适应控制系统结构

2.1 机载自动控制技术

机载自动控制技术能够提高采煤机的效率和安全性，是智能自适应控制的关键一环。它通过集成传感器、控制器和执行器，实现对采煤机的实时监控和调控。其中，传感器负责采集各种工作参数，如速度、力量和温度等；控制器基于预设的算法分析这些参数，并根据需要生成相应的控制信号；执行器则根据控制信号调整采煤机的运行状态。通过机载自动控制技术，采煤机可以自动调整截割速度和进给速度，适应不同煤层的条件。此外，智能化自适应控制系统还能自动识别异常情况并采取相应措施，如降低速度或停止运行，以保护设备和人员安全。采用机载自动控制技术升级采煤机，可以降低人工成本、提高生产效率，同时确保操作安全。

2.2 机组远程集控技术

采煤机组远程集控技术通过先进的通信和网络技术，实现对三机（采煤机、刮板运输机、液压支架）的集中监控和协同控制。集控中心通过实时接收来自采煤机的各类工作参数，如截割速度、进给速度、设备温度等，并对这些数据进行实时分析，根据预设的标准和规则生成相应的控制命令。此外，采煤机组远程集控技术还能实时监控设备的运行状态、自动识别异常情况，并采取相应的措施，如降低速度、停止运行或发送报警信号，这有助于确保设备和人员的安全，减少事故发生的风险。通过采煤机组远程集控技术，可以优化资源分配，提高设备利用率，降低人工成本和维护成本，从而在巷道监控中心和地面监控室就能随时了解采煤机的整机实时运行状态。

2.3 记忆截割技术

在顶底板变化不明显的煤层中，记忆截割法的使用效果较好，但是仍然需要由专门人员进行操作指引，需要智能学习后方可进行自动割煤。采煤机组记忆割煤技术利用传感器、控制器和执行器等组件，实时监测和自动调整采煤机的工作参数，通过切割过程中的关键参数如切割深度、速度和力度等，系统能自动学习最佳的工作模式，从而为后续操作提供智能参考。采用记忆割煤技术能显著提高采煤机的切割效率和煤炭产量，减少煤炭损失和能耗，同时降低对操作人员经验的依赖，减小工作强度、提高工作安全性。另外，该技术可有效降低设备故障率，延长设备使用寿命，降低维修成本[5]。

3 结论

中煤平朔集团已完成所有艾柯夫SL750 型采煤机电气系统的国产化改造，取得了较好的应用效果，对久益LW 系列采煤机的电气系统国产化改造也将随之开展。综上所述，对旧式进口采煤机电气系统进行国产化智能化改造，具有以下5 个优势：

（1）国产化方面，采用自主创新的硬件和软件设计技术，实现采煤机电控系统的国产化和自主化，降低了系统的成本和依赖性。

（2）智能化控制方面，采用基于人工智能和机器学习的自适应控制算法和技术，实现采煤机的自动化和智能化控制，提高了采煤机的生产效率和安全性。

（3）通信技术方面，采用更快速、更可靠的通信技术，实现采煤机与地面的数据传输和控制，从而提高采煤机的响应速度和安全性。

（4）信息化管理方面，采用先进的数据采集、处理和分析技术，实现对采煤机运行状态的实时监测和管理，从而提高采煤机的管理效率和可靠性。

（5）安全监测和预警方面，采用先进的传感器技术和数据分析技术，实现对采煤机运行过程中的安全风险进行实时识别和预警，从而保障工人的生命安全。