數(shù)控系統(tǒng)在礦井開(kāi)采工程中的應(yīng)用及改進(jìn)方式

張 莉

（江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，江蘇 徐州 221011）

數(shù)控系統(tǒng)是尖端工業(yè)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心使用技術(shù)，同時(shí)也是先進(jìn)制造技術(shù)的重要研究?jī)?nèi)容，該技術(shù)集合了自動(dòng)化控制、計(jì)算機(jī)、智能檢測(cè)、信息技術(shù)、電氣傳動(dòng)等多種現(xiàn)代化技術(shù)，它的出現(xiàn)為傳統(tǒng)制造業(yè)和生產(chǎn)行業(yè)帶來(lái)了革命性的影響，對(duì)國(guó)家工業(yè)化、城市化以及現(xiàn)代化的發(fā)展進(jìn)程具有重要的推動(dòng)作用，由于它在技術(shù)領(lǐng)域的重要地位，也成為了研究領(lǐng)域一個(gè)熱門(mén)研究課題，許多歐美國(guó)家也都開(kāi)展了針對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的研究工作，這樣推動(dòng)了數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《機(jī)械電氣設(shè)備-數(shù)控系統(tǒng)》中，將數(shù)控系統(tǒng)定義為：“數(shù)控系統(tǒng)軟件和硬件需要具備可移動(dòng)性、互操作性和一致性”，其中可移動(dòng)性是指數(shù)控系統(tǒng)中的功能模塊可以隨意的從一個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境中移動(dòng)到另一個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境中，即數(shù)控系統(tǒng)可以在多個(gè)操作平臺(tái)上運(yùn)行；互操作性是指數(shù)控系統(tǒng)的功能模塊之間可以進(jìn)行信息共享，功能模塊具有良好的協(xié)調(diào)工作能力；一致性是指數(shù)控系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)格式、控制機(jī)制以及設(shè)備接口都是一致的，操作起來(lái)簡(jiǎn)單方便。從上可以看出，數(shù)控系統(tǒng)具有靈活性高、功能性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，正是因?yàn)樗哂斜姸鄡?yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中，尤其是在礦井開(kāi)采領(lǐng)域中，該技術(shù)的應(yīng)用對(duì)提高礦井開(kāi)采效率和質(zhì)量具有重要作用，但是隨著電子技術(shù)和控制技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)提出了更高的技術(shù)要求，傳統(tǒng)數(shù)控技術(shù)必須進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，為此提出數(shù)控系統(tǒng)在礦井開(kāi)采工程中的應(yīng)用及改進(jìn)方式研究。

1 數(shù)控系統(tǒng)在礦井開(kāi)采工程中的應(yīng)用

數(shù)控系統(tǒng)具有自動(dòng)適應(yīng)控制和工藝參數(shù)自動(dòng)控制生成功能，所以數(shù)控系統(tǒng)在礦井采礦工程中的應(yīng)用主要是在礦井機(jī)械設(shè)備運(yùn)行參數(shù)控制方面，通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用使礦井機(jī)械設(shè)備能夠穩(wěn)定運(yùn)行，運(yùn)行參數(shù)能夠始終滿(mǎn)足開(kāi)采工程施工需求，能夠有效提升工程施工效率。礦井開(kāi)采過(guò)程中需要使用多種機(jī)械設(shè)備，工程施工規(guī)模不同，使用的機(jī)械設(shè)備數(shù)量和型號(hào)也有所不同，并且應(yīng)用的數(shù)控系統(tǒng)也有所不同，應(yīng)用到的數(shù)控系統(tǒng)主要有人工智能網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、智能化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等[1]。而數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用主要是對(duì)礦井機(jī)械設(shè)備中的開(kāi)采設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行控制，無(wú)論使用哪種數(shù)控系統(tǒng)，其首先都是在進(jìn)行控制前先將各個(gè)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)輸入數(shù)控到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后利用軟件技術(shù)和硬件技術(shù)對(duì)礦井機(jī)械設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行采集，主要是無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)，通過(guò)傳感器對(duì)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)采集，各個(gè)設(shè)備需要采集到的運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)是不同的，下表為各個(gè)礦井機(jī)械設(shè)備運(yùn)行參數(shù)詳情表。

表1 數(shù)控系統(tǒng)采集礦井機(jī)械設(shè)備運(yùn)行參數(shù)詳情表

將采集到的數(shù)據(jù)參數(shù)輸入到數(shù)控系統(tǒng)中，完成控制參數(shù)采樣輸入后，在對(duì)礦井機(jī)械設(shè)備進(jìn)行控制時(shí)，需要對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的輸入和輸出通道進(jìn)行分配，表2為輸入/輸出分配表。

表2 輸入/輸出分配表

系統(tǒng)將輸入的數(shù)據(jù)與之前設(shè)定的參數(shù)范圍進(jìn)行對(duì)比，分析出礦井機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，一旦系統(tǒng)檢測(cè)到設(shè)備運(yùn)行參數(shù)不符合設(shè)定條件，數(shù)控系統(tǒng)將對(duì)自動(dòng)對(duì)其進(jìn)行修改，保證礦井機(jī)械設(shè)備始終能夠正常穩(wěn)定運(yùn)行，下圖為數(shù)控系統(tǒng)控制礦井機(jī)電設(shè)備運(yùn)行參數(shù)示意圖。

圖1 數(shù)控系統(tǒng)控制礦井機(jī)電設(shè)備運(yùn)行參數(shù)示意圖

數(shù)控系統(tǒng)的作用主要是對(duì)礦井機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制，使機(jī)械設(shè)備在施工過(guò)程中能夠正常運(yùn)行，避免出現(xiàn)停止運(yùn)行現(xiàn)行[2]。還可以根據(jù)工程量通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)對(duì)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行效率進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，從而達(dá)到礦井開(kāi)采工程理想的工程施工效果。

裝備特點(diǎn)井下開(kāi)采的發(fā)展方向是實(shí)現(xiàn)礦井高產(chǎn)高效集中化生產(chǎn)。而實(shí)現(xiàn)礦井高產(chǎn)高效的前提是提高綜采工作面的單產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)工作面高產(chǎn)高效，達(dá)到一礦一面或一礦二面的高度集中化生產(chǎn)。實(shí)現(xiàn)綜采工作面高產(chǎn)高效應(yīng)以提高綜采工作面的開(kāi)采強(qiáng)度和采礦機(jī)的有效開(kāi)機(jī)率為目標(biāo)，其技術(shù)途徑有提高綜采工作面配套設(shè)備的小時(shí)生產(chǎn)能力。增加工作面的出礦點(diǎn)，提高綜采設(shè)備及礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性，減少工作面輔助工序的影響時(shí)間。從而實(shí)現(xiàn)綜采工作面的高產(chǎn)高效主要有單一長(zhǎng)壁綜采工作面的高產(chǎn)高效和實(shí)現(xiàn)綜采放頂煤工作面的高產(chǎn)高效。

2 電氣自動(dòng)化在機(jī)械設(shè)備中的應(yīng)用

礦井開(kāi)采機(jī)械從中厚礦層起步，發(fā)展到薄礦層、大功率、大采高強(qiáng)力滾筒采礦機(jī)。電氣自動(dòng)化的應(yīng)用使采礦的過(guò)程更加人性化，綜采工作面裝備遠(yuǎn)程監(jiān)控及專(zhuān)家診斷系統(tǒng)的可靠性是國(guó)產(chǎn)采礦機(jī)研究的主要內(nèi)容。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)綜采裝備液壓支架和采礦機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，使采礦機(jī)根據(jù)井下礦層的變化實(shí)現(xiàn)自動(dòng)割礦、礦層的軟硬自動(dòng)調(diào)節(jié)采礦速度，檢驗(yàn)并完善動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)綜采支架液壓系統(tǒng)壓力和各受力點(diǎn)的狀態(tài)，自動(dòng)調(diào)節(jié)支架推移輸送機(jī)的拉移等。近期進(jìn)行項(xiàng)目的調(diào)研、選型工作，與科研單位合作在東龐礦實(shí)施，重點(diǎn)解決采煤機(jī)的工礦在線(xiàn)檢測(cè)、故障診斷及預(yù)報(bào)、顯示與傳輸系統(tǒng)、采礦機(jī)自動(dòng)運(yùn)行控制系統(tǒng)等問(wèn)題，使綜合機(jī)械化水平上一個(gè)新的臺(tái)階。

3 數(shù)控系統(tǒng)對(duì)礦井開(kāi)采工程的改進(jìn)方法

以往礦井開(kāi)采工程無(wú)法對(duì)礦井機(jī)械設(shè)備能源消耗方面進(jìn)行有效控制，礦井開(kāi)采工程在施工過(guò)程中需要使用眾多機(jī)械設(shè)備，并且施工周期比較長(zhǎng)，整個(gè)工程需要消耗大量的能量，此次利用數(shù)控系統(tǒng)對(duì)礦井采礦工程進(jìn)行改進(jìn)，使其不僅可以通過(guò)礦井機(jī)械設(shè)備控制達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行的目的，還能夠減少礦井機(jī)械設(shè)備的無(wú)功損耗。此次對(duì)礦井開(kāi)采工程開(kāi)采的改進(jìn)主要是在數(shù)控系統(tǒng)中設(shè)定礦井機(jī)械設(shè)備電路參數(shù)變量以及目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)設(shè)定的目標(biāo)函數(shù)對(duì)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中電路參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化和控制。

本文在確定電路參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)時(shí)，優(yōu)化目標(biāo)不僅要考慮到礦井采礦工程實(shí)際的開(kāi)采需要，同時(shí)還要考慮到礦井機(jī)械設(shè)備的高效節(jié)能，將提高礦井機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)效率和降低能源消耗作為數(shù)控系統(tǒng)改進(jìn)目標(biāo)[3]。數(shù)控機(jī)床的電路參數(shù)是指在礦井機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中各個(gè)開(kāi)采環(huán)節(jié)所需要使用的電能，因此可以通過(guò)增加單位時(shí)間內(nèi)開(kāi)采速度，可以在一定程度上直接提升礦井機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)效率，這樣可以縮短礦井采礦工程施工時(shí)間，是礦井機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中能源得到充分的利用，從而進(jìn)一步使礦井機(jī)械設(shè)備的能耗得到優(yōu)化，其目標(biāo)函數(shù)具體可表示為：

公式（1）中，M 表示礦井機(jī)械設(shè)備電源參數(shù)改進(jìn)目標(biāo)函數(shù)；l 表示礦井機(jī)械設(shè)備主軸運(yùn)轉(zhuǎn)速度；d為礦井機(jī)械設(shè)備每個(gè)齒輪的進(jìn)給量；c表示礦井機(jī)械設(shè)備每個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)速；w表示垂直于進(jìn)給速度方向的最大產(chǎn)出量；表示礦井機(jī)械設(shè)備最小額定功率。礦井機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程消耗的能源主要包括來(lái)自傳動(dòng)裝置自身的空載能源消耗、進(jìn)給裝置自身的空載能源消耗、相關(guān)輔助裝置自身的能源消耗。因此將上述目標(biāo)函數(shù)編入到數(shù)控系統(tǒng)中，由數(shù)控系統(tǒng)利用該目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行求解，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井機(jī)械設(shè)備運(yùn)行能源消耗進(jìn)行有效控制。

傳統(tǒng)目標(biāo)求解的方法是通過(guò)對(duì)各個(gè)子目標(biāo)進(jìn)行權(quán)重系數(shù)的賦值，通過(guò)各個(gè)線(xiàn)性關(guān)系的加權(quán)和的方式，將其轉(zhuǎn)換為一個(gè)個(gè)單獨(dú)的單目標(biāo)優(yōu)化求解，而單目標(biāo)的權(quán)重系數(shù)是通過(guò)決策者決定的。這種求解算法會(huì)存在一定的局限性，通過(guò)決策者確定的權(quán)重系數(shù)會(huì)造成十分刻意的主觀(guān)性，并且每一個(gè)子目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果計(jì)算都只能得到唯一的解，同時(shí)非劣解前端較為敏感，導(dǎo)致求解結(jié)果存在較大的誤差，影響數(shù)控系統(tǒng)對(duì)礦井開(kāi)采工程改進(jìn)效果。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種新求解方法：首先利用分級(jí)非支配的快速排序方法的優(yōu)勢(shì)，最大程度上降低優(yōu)化函數(shù)求解過(guò)程的復(fù)雜程度；其次，利用比較兩種不同子目標(biāo)的擁擠度，克服數(shù)控系統(tǒng)傳統(tǒng)計(jì)算方法中需要提前進(jìn)行數(shù)據(jù)共享的問(wèn)題，更好的保護(hù)了多種不同子目標(biāo)的多樣性；最后進(jìn)入精英策略理論，通過(guò)不斷地迭代最終提高該算法的尋優(yōu)性能，并且保證在尋優(yōu)過(guò)程中優(yōu)秀的子目標(biāo)不被丟失，具體求解過(guò)程如下圖所示。

圖2 數(shù)控系統(tǒng)改進(jìn)后目標(biāo)函數(shù)求解過(guò)程

數(shù)控系統(tǒng)利用目標(biāo)函數(shù)對(duì)礦井機(jī)械設(shè)備電源參數(shù)進(jìn)行控制，使礦井機(jī)械設(shè)備能耗達(dá)到最低，且開(kāi)采效率達(dá)到最高，以此完成數(shù)控系統(tǒng)在礦井開(kāi)采工程中的應(yīng)用及改進(jìn)方式研究。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)數(shù)控系統(tǒng)在礦井開(kāi)采工程中的應(yīng)用及改進(jìn)方法進(jìn)行了研究，為礦井開(kāi)采工程中數(shù)控系統(tǒng)性能優(yōu)化和創(chuàng)新提供了理論依據(jù)，為數(shù)控系統(tǒng)在礦井開(kāi)采工程中的應(yīng)用具有重要的推廣作用。此次研究?jī)?nèi)容僅涉及了對(duì)數(shù)控系統(tǒng)在礦井工程開(kāi)采中機(jī)械設(shè)備運(yùn)行參數(shù)控制方面的應(yīng)用，研究?jī)?nèi)容具有一定的局限性，今后會(huì)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)在礦井開(kāi)采工程中運(yùn)輸方面應(yīng)用進(jìn)行深一步研究和探討。