智能制造理念在煤機裝備領域的應用分析
——以采煤機自動化技術研究與應用為例

王紫民

（山西工程技術學院機電系，山西 陽泉045000）

0 引言

智能制造，源于人工智能的研究，自我國提出《中國制造2025》強國戰略后，智能制造被推到了前沿，智能制造工程作為制造領域關鍵工程，同時作為新一代信息技術與制造裝備融合的創新工程，它不僅是兩化深度融合的突破口，更是工業互聯網+的切入點，預計未來20年，工業互聯網可帶來3萬億美元的GDP增量，企業效率提高20%，成本降低20%，節能減排下降10%。可以說智能制造預示了新的工業革命，標志著我國制造業正式向高質量、高水平邁進。

煤炭作為我國支柱型能源之一，目前仍占國內能源市場的70%，煤炭開采的高效性、綠色性早已成為國家能源開發的硬性要求，這就需要我國煤機裝備具備新技術適應環保趨勢。就目前來說，我國煤機裝備經過“十一五”、“十二五”的規劃，發展迅速。例如液壓支架、采煤機、刮板輸送機產品型號齊全，已達國際水平。在采掘成套裝備、短壁開采成套裝備，洗選成套裝備等，部分產品整機性能及總體參數也已達國際先進水平。為了使煤機裝備領域有更高的發展，我國煤機制造積極響應《中國制造2025-能源裝備實施方案》要求，以全面打造煤機裝備的智能制造[1]。

1 智能制造在煤機裝備領域應用現狀

隨著我國煤炭工業的快速發展，現代化煤機向著大型化、自動化趨勢發展。年產千萬噸以上的高端智能綜采設備需求量越來越大，煤機裝備在智能制造產業政策的扶持下發展迅速。

1.1 自動化技術的應用

煤機自動化技術在煤炭開采中的應用，有效提高了勞動生產率，提升安全性。采煤機由液壓驅動發展到電牽引，就是機電一體化技術的主要應用。電牽引采煤機能提供更大的牽引力，動態性良好，整機更高效，可靠性好，磨損小，軸端配有停電功能，有效解決了生產中的滑動問題，在下滑過程中還能發電制動，節約能源的同時，更能在大傾角煤層中牽引移動。

安全生產檢測中，設立了溫度、濕度、瓦斯等檢測裝置，利用光纖連接上位機，對礦井中的環境因素進行監測，數據異常時觸動警報，及時提醒井下作業人員，提高安全生產，確保人身安全。

運輸系統中，煤炭膠帶運輸機的自動化技術，使用PLC作為主控單元，使用PROFIBUS總線的通訊方式，及時監測運輸機上煤炭高度，膠帶是否跑偏、打滑等，設備卡死時不用停工，直接啟用備用設備。開發的帶式輸送機動態分析技術，為帶式輸送機的啟停、張緊提供依據，優化輸送機運行性能。

還有起支護防護的電液控制支架，可實現自動移架或定壓反向鄰架，提高負載控制效果。

1.2 智能機器人在煤機裝備系統中的應用

智能制造涵蓋智能制造裝備、智能系統、智能服務等。在煤機制造領域，高端成套裝備自動焊接機器人的應用，保障了煤機裝備焊接的穩定性和質量的一致性；在采掘系統中，基于電液比例控制的機器人鉆臂智能系統，可以取代傳統人工作業，提升井下作業安全性；在服務系統中，煤礦井下瓦斯智能巡檢機器人[2]，能有效監測礦井中瓦斯含量，提高了巡檢效率和精度，智能煤炭采樣機器人[3]，提高采樣效率，實現智能判斷及無人值守的動態采樣，智能清倉機器人在煤礦中的應用[4]，實現礦用清倉設備智能化、自動化，提高倉庫清理效率。此外，還有支護機器人、鑿巖機器人、裝載機器人、采煤機器人、煤礦救援機器人等，煤機裝備系統機器人被大量應用在危險工種及繁重崗位，解放了生產率，提升安全系數[5]。

1.3 煤機裝備與信息技術的融合

智能制造是制造技術和信息技術的結合。針對煤機生產領域主要體現在：（1）生產過程智能化。例如，我國開發的適應性煤機生產柔性化車間，以訂單為導向生產模式，特點是批量小，生產環節多，要求制造離散化、工藝柔性化，如對此開發的“電液控閥芯柔性自動化裝配生產線”柔性制造系統等。（2）產品智能化。將信息技術，即芯片、傳感器、儀表、軟件集成到煤機裝備，使產品具備動態存儲、感知和通信能力，實現產品可追溯、可識別、可定位。（3）管理智能化。構件煤機生產車間智能物流系統，并將分布式數控系統連接多個數控設備，實現數控生產及管理。（4）服務智能化。實現煤機裝備在線監測、遠程診斷及云服務功能等[6]。

2 采煤機自動化技術研究與應用

采煤機作為煤機領域最重要的裝備之一，其智能化程度在一定程度上可以反映我國煤炭開采技術的先進性。

2.1 慣導技術在采煤機中的應用

慣性導航技術簡稱慣導技術，在航空航天領域普遍應用。它是一種不依賴外部信息，也不向外輻射能量的自主式導航系統。基本原理是以牛頓力學定律為基礎，通過測量載體在慣性參考系的加速度，再通過數值計算得到速度和位移。慣導技術能提供位置、速度及姿態角數據，將其應用與采煤機中，可實現采煤機的位置定位（如采煤機工作面相對位置的確定）、姿態定位（搖臂高度及俯仰角及工作面傾角等），進而對其實施遠程監控。

2.2 采煤機記憶截割功能的實現

采煤機滾筒的自動記憶調高是自動化采煤工藝的重要環節，其能夠保證煤炭的質量和設備的可靠性。智能化控制系統實現了對采煤機運行工作的行程位置、滾筒的高度位置、采煤機的運行姿態和牽引方向速度等信息數據的記錄和分析，能找出最優的截割路徑，然后啟動記憶截割模式。

煤層高度發生變化時，采煤機滾筒高度也應適時變化。采煤機調高系統由搖臂、滾筒、油缸、液壓泵及控制系統構成。拉線傳感器，機身中部有傾角傳感器，截割電機上還有電流互感裝置，這些傳感器都由PLC控制。自動調高原理為預先在可編程控制器中輸入滾筒高度，在升高過程中拉線傳感器感應油缸伸縮量，傾角傳感器反饋爬坡角度，數據傳回可編程控制器中處理后，轉化為搖臂升高量。當截割部觸碰到巖石時，電流互感器輸出一脈沖到PLC中，油缸停止供油，搖臂到達新的高度。采煤機的工作系統在智能系統的控制下自動跟蹤第一刀的截割路徑，實現了截割過程的自動化[7]。

2.3 采煤機遠程監控及故障診斷技術

2.3.1 基于CAN總線的遠距離通訊控制技術

采煤機進行遠程監測和控制時，必須保證數據的有效性、可靠性、實時性，數據采集及傳輸采用CAN總線，遠程數據傳輸采用屏蔽雙絞線或光纖，在硬件上增加隔離、吸收電路，在軟件中通過濾波算法，去除干擾信號，解決在礦井復雜電磁環境下，不同設備間的可靠通訊，實現數據通訊的兼容性和開放性，提高設備的通訊抗干擾能力[8]。

2.3.2 基于多傳感信息融合的采煤機電裝備狀態監測與故障診斷

通過采用多傳感信息融合技術，達到對搖臂振動、溫度在線監測及潤滑油質的監測，多傳感器融合技術可以強化采煤機優良傳感器的工作狀態，研究不同種類之間傳感信息的融合方法，使用判定算法進行狀態監測和故障診斷。

2.3.3 基于DSP技術的采煤機故障診斷

以DSP為平臺的的故障診斷系統來實現對采煤機的實時檢測與診斷功能[9]，包括故障振動信號采集、數字信號處理、采集信號和診斷結果的存儲、故障信號的診斷和結果信號的信息融合。

2.4 采煤機與物聯網技術的融合

智能制造下新業態新模式的制造業是順應“互聯網+”以及制造業服務化的大趨勢。采煤機與物聯網技術的融合可以實現綜采工作面的無線網絡通訊[10]。

在計算機控制下，物聯網技術與基礎設備、中間傳輸信息介質形成一個整體。物聯網控制采煤機可識別煤巖體、控制采煤機牽引速度、控制滾筒高度等，開發的基于物聯網技術的控制器具有邏輯判斷性，即在基礎段傳感器等設備采集的信號基礎上，控制處理中心要進行分析、判斷，控制中心發出執行指令。物聯網自動化控制技術的應用，真正實現綜采工作面智能控制系統，降低了采煤機故障率，提高了礦井生產效率。

3 智能制造在煤機領域發展趨勢

新一代智能制造的理念是以數據為核心，實現物物相連，對應煤機領域要加強智能制造能力建設，升級產品核心競爭力及科技附加值，滿足客戶多元化、個性化的定制需求。

3.1 建設產品與數據的標準化、模塊化

煤機裝備的標準化、模塊化，就是針對小批量、多品種的產品。其零部件進行標準化加工，適應柔性生產需求，做到研發設計和生產工藝的融合，完善一體化體系，加強智能制造理念，實現設計、工藝、制造的協同。

3.2 創新智能制造工藝系統

煤機裝備智能制造體現在生產環節就是工藝的智能化。前述自動焊接機器人的應用就是焊接工藝的優化。煤機智能工藝系統的實現就是要求工廠總體設計、工藝流程及布局均已建立數字化模型，并進行模擬仿真，實現生產流程數據可視化和生產工藝優化。

建立數據采集和監控系統，生產工藝數據自動數采率達到90%以上。實現原料、關鍵工藝和成品檢測數據的采集和集成利用，建立實時的質量預警。

采用先進控制系統，工廠自控投用率達到90%以上，關鍵生產環節實現基于模型的先進控制和在線優化。

3.3 智能制造信息化系統和基礎網絡

要推進制造過程智能化，重點領域是建設智能工藝數字化車間，即智能工廠。

智能工廠，通過構建智能生產系統網絡化分布生產設施，實現生產過程智能化，再基于CPS和工業互聯網構建智能工廠，包括物理層、信息層、大數據層、工業云層、決策層。物理層包含了工廠內各層硬件設備，從最小生產單元到裝配單元，從物流到存儲再到管理，全程全廠實現互聯互通，構建一個“可測可控，可產可管”的縱向集成環境。

4 我國在煤機裝備領域發展途徑

我國煤機市場尚不成熟，眾多煤機生產商仍存在混亂無序的狀態，整體上與國際先進水平差距表現在：技術標準差距大、設計理念落后、關鍵軟硬件設備仍需進口，產品使用壽命短、可靠性差，工藝、檢測、加工設備落后等。

我國煤機裝備制造業企業要立足我國煤炭地質和生產現狀，積極進行煤炭制造相關科學技術的發展，投入大量資金對煤炭制造技術進行研發，利用三維數字化設計等相關軟件，對大功率采煤機、巖巷挖掘機、大型運輸提升和洗選設備等進行專業技術的研發，希望能逐步攻克這些技術難關，使得中國的煤機制造業能吸收、消化這類重大裝備的研發技術。

其次，根據《中國制造2025》戰略要求進行轉型升級，實現數字化、網絡化、智能化，發展具有高可靠性和智能化煤機成套裝備，在企業管理方面要推進精益管理，在人才培養方面要制定煤機領域人才培養體系，這些都是煤機裝備領域發展智能制造的根本路徑。

5 結束語

本文重點介紹了智能制造理念在我國煤機裝備的發展現狀，并具體以采煤機現有的先進技術為例進行了介紹；指出了智能煤機在今后的發展趨勢：標準化、數字化、網絡化以及實現煤機裝備智能制造的根本途徑。希望我國煤機領域能按照《中國制造2025》戰略規劃，步步為營，逐步壯大，早日躋身世界煤機制造先進行列。