浅谈煤矿机电一体化技术的发展与应用

总第212期

doi: 10. 3969/j. issn. 1005 -2798.2017.04.020

或谈媒机电一体化技术的发展与启用

李乐

(潞安集团司马煤业有限公司，山西长治 047105)

摘要

:文章介绍了国内外机电一体化技术的研究现状，并重点阐述了煤矿机电一体化的发展趋势和机电

文献标识码：B

文章编号= 1005-2798 (2017)04-0056-02

一体化在煤矿中的应用。

关键词：煤矿；机电一体fc ;发展与应用中图分类号:TD67

1机电一体化技术的研究现状

1.1

机电一体化的定义

机电一'体化（Mechatronics)是19\"71年由日本学

动器、传感器和机械部分的融合，难以达到机电一体

化的完善设计。Jurgen Gausemeiei•教授团队进行以 半规则式计算机语言为核心的机电一体化设计，但 并未实现理想的机电一体化系统。法国的PSA所 进行了以机电一体化模型库为核心的设计，通过模 型库的查找和存储简化机电一体化的设计，但并未 达到理想效果。英国的Lancastei•大学尝试了以键 合图理论、方框图为基础的功能模块的混合建模，但 主要以机电一体化的控制为主，执行构件部分研究 又不够深人。在国内，机电一体化的起步较晚，但经 过大量专家学者的不懈努力也取得了丰硕的成 果[2]。如上海交通大学的邹慧君教授将机电一体 化的主要研究对象转向以实现运动功能为主，并对 系统方案设计进行深入研究，实现了较为理想的功 能求解模型。山东大学的黄克正团队以功能分析和 重构理论为设计基础，提出了机电一体化概念系统 的过程模型。华中科技大学的杨家军团队以机械运 动方案和传感器设计为研究基础，加之计算机系统 的辅助功能，完成了机电一体化系统的设计。

者在日本杂志《机械设计》中提出的，是由机械技 术、电子技术、控制技术、计算机技术、信息技术、光 学技术等多学科形成的一门交叉学科，目前已经发 展成为部分学校的专门专业。但对于机电一体化的 具体内涵和概念学术界并未形成统一的认识。

Vail Brussel教授认为，机电一体化是跨领域的 并行工程，它包括机械、微电子、控制工程和计算机 技术等多门学科，而机电一体化的目标就是实现上 述多门学科和技术的综合应用。德国Isemiaiin的 教授认为机电一体化属于交叉学科的综合领域，机 电一体化包含的交叉学科可以分为机械系统和与其 相关的控制系统，而其控制系统又包括信息系统、计 算机系统等。控制系统主要用于服务机械系统，便 于工程师在远程对机械系统进行操控。

国内曾庆良等[1]定义机电一体化是一个包含 机械、电子电气、信息等功能模块的技术系统，是多 学科技术的综合作用，各个功能模块之间存在着密 切的交互关系，其中起决定作用的不是某一单独的 技术，而是这些技术的联合作用，这些技术的联合作 用使系统具有更优秀的性能或实现了新的功能。1.2 机电一体化的设计

目前，国内外学者在机电一体化的设计方面已 经进行了大量研究工作，按照研究方向可以将机电 一体化设计分为三大类。

1)侧重于概念设计过程和相关软件的研究。 机电一体化的概念提出后，国外大量学者进行了大 量尝试。如德国的R. Isemuami教授及其团队以机 电一体化的控制系统为核心进行了尝试，但缺乏驱

收稿日期=2016-10-21

作者简介:李乐（ 1983 -

2) 侧重于开发过程的研究。主要代表是德

国工程师协会2004年发布的VDI 2206系统，其设 计过程如图1所示，根据用户需求提供系统设计 (面向领域的设计），包括机械领域、电气领域和信 息领域，在完成系统集成后再通过系统设计的验证， 最终得到客户需要的产品。但这种机电一体化的设

计仅提供了一个设计思路，缺乏具体的设计过程。

3) 协同仿真技术。仿真技术在20世纪初期开始应用于其他领域，在20世纪末被引入机电一体 化领域，目前国内外学者就机电一体化的机电仿真 技术已经开展了大量的研究工作。在国外，Van Brussel和Vail Beek开展了协同仿真的参数设计，解 决了系统仿真参数的优化问题。荷兰Twente大学

),女，山西长治人,工程师，从事煤矿机电工程及技术管理工作。

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2〇n年4用

李乐：浅谈煤矿机电一体ffc技术的发展与应用

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的Job Vail Amerongai教授及其团队开展了机电一 体化模型的仿真工作，实现了多领域机电一体化的 仿真研究。

在国内，钟掘院士等[3]学者从机电系统耦合及 各耦合参数间的关系人手对机电一体化系统进行研 究，设计出系统功能优化的物理模型，该课题已经突 破早期研究存在的难题，该研究方法在机电一体化 系统研究方面十分深入，研究的重点是系统的后期 设计。而李伯虎院士和清华大学熊光愣教授在协同 仿真方面也开展了大量工作，开出了基于协同仿真 技术的复杂产品。

产监控系统、大型固定采煤机械等在煤矿投人使用， 但仍与世界先进的采煤机电一体化存在差距。3.1

液压支架电液控制系统

相比西方发达国家，我们在液压支架电液控制

系统的研究较晚。1995年第一台自主研制的液压 支架电液控制系统至今，出现了不同型号的多种电 液控制系统液压支架，但实际国产的液压支架电液 控制系统在国内煤矿的应用仍不太乐观，目前矿井 综采工作面采用的液压支架电液控制系统仍以国外 的设备为主，部分软弱顶板支护采用的单体液压支 架系统也存在类似的情况。这一方面是由于国产的 2 煤矿机电一体化技术的发展趋势

近年来，全球制造业始终面临着转型升级和可 持续发展的挑战。2013年4月，德国开启了“工业 4.0”，即第四次工业。“工业4. 0”主要包括两 个主题，即“智能工厂”与“智能生产”。我国机电一 体化经过多年的发展和积累，机电一体化取得了巨 大进步，但发展并不完善。因此，在2015年5月，我 国发布了“中国制造2025”行动纲领[4]。该纲领提 出在2025年之前迈人制造强国行列；在2035年以 前，与中等制造强国的水平持平;在2049年，成为世 界的制造强国。因此，煤矿机电一体化未来的发展 进程必然与“工业4. 0时代”和“中国制造2025 ”行 动纲领存在一致性关系，所以笔者认为，未来煤矿机 电一体化未来的发展趋势主要有高度自动化、高度 智能化、高度网络化。

3 机电一体化在煤矿中的应用现状

1970年我国大同矿务局首先试验自行设计的 第一套综合机械化采煤系统。到20世纪80年代， 随着国际综合机械化采煤技术的发展，我国综合机 械化采煤也得到了空前的发展;到90年代中期，采、 掘、机、运、通基本完成了机械化，大大提高了采煤效 率，减少了煤炭灾害的发生;进人本世纪后，我国矿 业机电一体化又有了突破性的进展，完善的安全生

液压支架电液控制系统未能突破技术瓶颈，而国外 的液压支架电液控制系统（以美国和德国为主）具 有完善的故障诊断预警装置，可实现液压支架与采 煤机、刮板机联动和远程控制。3.2 电牵引采煤机

国内电牵引采煤机的研制工作从20世纪80年 代末期开始，经历了近十年的研究才取得了突破性 的进展，目前电牵引采煤机也是煤矿机电一体化的 重点研究方向。国内比较先进的电牵引采煤机包括 山东能源机械集团公司研发的MG150/345 - W0K

交流电牵引采煤机和太原矿山机器集团有限公司研

发的MGTY307/10 - 1. 1D电牵引采煤机。这两种 采煤机目前都能实现1.8 m以上的薄煤层开采，同 时可以完成煤层倾角在25°以下的综合机械化开采 工作。我国电牵引采煤机的发展大大加快了我国煤 炭机电一体化的发展。但目前煤矿机电一体化（机 械化）率约70 %，而综采率仅为40 %，对比世界国 家发达国家超过80 %的综采率，仍存在很大的发展 空间。

目前电牵引采煤机具有的优势有:①牵引特性 较好，世界先进的电牵引和液压牵引技术都具有良 好的调速特性，但国内的液压牵引系统稳定性不如 电牵引系统，因此采用电牵引可以有效地保证电牵 引采煤机的牵引特性；②机械传动效率高（> 90% );③牵引力可以满足大倾角煤层开采;④工作 可靠性高;⑤易于实现微机自动控制;⑥机械传动和 结构较简单。

4 结语

本文对国内外机电一体技术的研究现状进行了 分析，特别指出了煤矿机电一体化技术的发展趋势 和目前机电一体化在煤矿中的应用现状。目前在煤 矿中机电一体化技术主要应用在液压支架电液控制 系统、电牵引采煤机、煤矿安全控制系统等，而随着

“工业4.0”时代的开启， （下转第62页）

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2〇17年4用

李丽:煤炭生产可视化调度及预警综合平台的构建

第26象第4顧

6)今日关注模块会将审核后的数据汇总起 来，总调用户可以对审核数据进行筛选，也可以临时 添加新的变化内容，将筛选内容投影到大屏幕。2.5应急救援联动及短信服务

此模块是基于集团调度室的“综合调度指挥平 台”中的应急救援系统扩展开发的，其主要目标是 将原有的基础信息（应急预案、专家信息、应急物资 等）与GIS图形、短信通讯相结合，开发出应急救援 联动系统，主要内容如下：

建，结合系统开发的一套早调会系统，使得集团领导 能够通过移动终端设备方便地以多种方式（报表、 图表等)查看煤矿调度、预警综合分析情况，实现集 团及下属煤矿对生产重要环节、重大隐患的超前预 知、超前防范、超前预警和超前治理，真正为矿井安 全生产提供技术保障。通过智能分析，实现对煤矿

安全预警和日常生产调度的关联分析，为集团领导 准确决策提供依据，便于及时采取相应措施，保障煤 矿安全生产的顺利进行。

1) 当事故发生时，应急救援联动系统的主界

参考文献：

面基于(JIS图形进行展示，图形上高亮显示事故发 生单位，并在界面的右侧信息栏中显示煤矿基础信 息、救护大队、医院等信息；

2)

面，显示事故发生的时间、具体地点，煤矿用户可以 在此更加详细地汇报事故信息；

3) 知专家；

4)

用户可以查看与本次应急救援相关的会

商专家、救援单位及联系方式，并能够以短信方式通

[1] 李润求，施式亮，念其锋，等.基于灰色系统理论的

煤矿安全生产形势预测[J].矿业工程研究，2010

点击煤矿坐标位置，进入煤矿详细信息页

(3) ： -58.2011(4) ： 143 -149.

安全影响作用的实证研究[J].中全科学学报,

[2] 曹庆仁，李凯，刘丽娜.煤矿安全文化对员工行为

[3] 李运强，黄海辉.世界主要产煤国家煤矿安全生产现状及发展趋势[J].中全科学学报，2010(6):

158 -165.

闭环管理信息系统设计研究[J].中全科学学报, 2010(7) ： -95.

用户可以查看与本次应急救援相关的应 [4] 李贤功，宋学锋，孟现飞.煤矿安全风险预控与隐患

急物资清单及地理分布；

5) 系统能够调出启动的应急预案、灾防计划 等信息，在事故处理完毕（演练结束）时发送相关简 报信息给相关领导。

[5] 李艳梅，张雷.中美煤矿安全比较与借鉴[J].中

全科学学报，2005(11) : 44 -48.

3结语

通过煤炭生产可视化调度及预警综合平台的构

[责任编辑：常丽芳]

(上接第57页）以及我国发布了“中国制造2〇25 ”行 动纲领，笔者认为未来煤矿机电一体化未来的发展 趋势主要有高度自动化、高度智能化、高度网络化。参考文献：

[1] 王成龙.复杂机电系统统一建模与仿真技术研究

[D].青岛：山东科技大学，2010.[2] 邹慧君，廖武，郭为忠，等.机电一体化系统概念设 计的基本原理[J].机械设计与研究，1999(3) :14 -

17.

[3] 钟掘，胡志刚.基于耦合问题的多智能主体协作模

型[J].中南大学学报：自然科学版，1998(2) :165 -

168.

[J].工程机械，2016, 47(6) :60.

[4] 伊然.山西省印发《中国制造2025山西行动纲要》

[责任编辑：常丽芳]

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