智能制造理念在煤机装备领域的应用分析
——以采煤机自动化技术研究与应用为例

王紫民

（山西工程技术学院机电系，山西 阳泉045000）

0 引言

智能制造，源于人工智能的研究，自我国提出《中国制造2025》强国战略后，智能制造被推到了前沿，智能制造工程作为制造领域关键工程，同时作为新一代信息技术与制造装备融合的创新工程，它不仅是两化深度融合的突破口，更是工业互联网+的切入点，预计未来20年，工业互联网可带来3万亿美元的GDP增量，企业效率提高20%，成本降低20%，节能减排下降10%。可以说智能制造预示了新的工业革命，标志着我国制造业正式向高质量、高水平迈进。

煤炭作为我国支柱型能源之一，目前仍占国内能源市场的70%，煤炭开采的高效性、绿色性早已成为国家能源开发的硬性要求，这就需要我国煤机装备具备新技术适应环保趋势。就目前来说，我国煤机装备经过“十一五”、“十二五”的规划，发展迅速。例如液压支架、采煤机、刮板输送机产品型号齐全，已达国际水平。在采掘成套装备、短壁开采成套装备，洗选成套装备等，部分产品整机性能及总体参数也已达国际先进水平。为了使煤机装备领域有更高的发展，我国煤机制造积极响应《中国制造2025-能源装备实施方案》要求，以全面打造煤机装备的智能制造[1]。

1 智能制造在煤机装备领域应用现状

随着我国煤炭工业的快速发展，现代化煤机向着大型化、自动化趋势发展。年产千万吨以上的高端智能综采设备需求量越来越大，煤机装备在智能制造产业政策的扶持下发展迅速。

1.1 自动化技术的应用

煤机自动化技术在煤炭开采中的应用，有效提高了劳动生产率，提升安全性。采煤机由液压驱动发展到电牵引，就是机电一体化技术的主要应用。电牵引采煤机能提供更大的牵引力，动态性良好，整机更高效，可靠性好，磨损小，轴端配有停电功能，有效解决了生产中的滑动问题，在下滑过程中还能发电制动，节约能源的同时，更能在大倾角煤层中牵引移动。

安全生产检测中，设立了温度、湿度、瓦斯等检测装置，利用光纤连接上位机，对矿井中的环境因素进行监测，数据异常时触动警报，及时提醒井下作业人员，提高安全生产，确保人身安全。

运输系统中，煤炭胶带运输机的自动化技术，使用PLC作为主控单元，使用PROFIBUS总线的通讯方式，及时监测运输机上煤炭高度，胶带是否跑偏、打滑等，设备卡死时不用停工，直接启用备用设备。开发的带式输送机动态分析技术，为带式输送机的启停、张紧提供依据，优化输送机运行性能。

还有起支护防护的电液控制支架，可实现自动移架或定压反向邻架，提高负载控制效果。

1.2 智能机器人在煤机装备系统中的应用

智能制造涵盖智能制造装备、智能系统、智能服务等。在煤机制造领域，高端成套装备自动焊接机器人的应用，保障了煤机装备焊接的稳定性和质量的一致性；在采掘系统中，基于电液比例控制的机器人钻臂智能系统，可以取代传统人工作业，提升井下作业安全性；在服务系统中，煤矿井下瓦斯智能巡检机器人[2]，能有效监测矿井中瓦斯含量，提高了巡检效率和精度，智能煤炭采样机器人[3]，提高采样效率，实现智能判断及无人值守的动态采样，智能清仓机器人在煤矿中的应用[4]，实现矿用清仓设备智能化、自动化，提高仓库清理效率。此外，还有支护机器人、凿岩机器人、装载机器人、采煤机器人、煤矿救援机器人等，煤机装备系统机器人被大量应用在危险工种及繁重岗位，解放了生产率，提升安全系数[5]。

1.3 煤机装备与信息技术的融合

智能制造是制造技术和信息技术的结合。针对煤机生产领域主要体现在：（1）生产过程智能化。例如，我国开发的适应性煤机生产柔性化车间，以订单为导向生产模式，特点是批量小，生产环节多，要求制造离散化、工艺柔性化，如对此开发的“电液控阀芯柔性自动化装配生产线”柔性制造系统等。（2）产品智能化。将信息技术，即芯片、传感器、仪表、软件集成到煤机装备，使产品具备动态存储、感知和通信能力，实现产品可追溯、可识别、可定位。（3）管理智能化。构件煤机生产车间智能物流系统，并将分布式数控系统连接多个数控设备，实现数控生产及管理。（4）服务智能化。实现煤机装备在线监测、远程诊断及云服务功能等[6]。

2 采煤机自动化技术研究与应用

采煤机作为煤机领域最重要的装备之一，其智能化程度在一定程度上可以反映我国煤炭开采技术的先进性。

2.1 惯导技术在采煤机中的应用

惯性导航技术简称惯导技术，在航空航天领域普遍应用。它是一种不依赖外部信息，也不向外辐射能量的自主式导航系统。基本原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，再通过数值计算得到速度和位移。惯导技术能提供位置、速度及姿态角数据，将其应用与采煤机中，可实现采煤机的位置定位（如采煤机工作面相对位置的确定）、姿态定位（摇臂高度及俯仰角及工作面倾角等），进而对其实施远程监控。

2.2 采煤机记忆截割功能的实现

采煤机滚筒的自动记忆调高是自动化采煤工艺的重要环节，其能够保证煤炭的质量和设备的可靠性。智能化控制系统实现了对采煤机运行工作的行程位置、滚筒的高度位置、采煤机的运行姿态和牵引方向速度等信息数据的记录和分析，能找出最优的截割路径，然后启动记忆截割模式。

煤层高度发生变化时，采煤机滚筒高度也应适时变化。采煤机调高系统由摇臂、滚筒、油缸、液压泵及控制系统构成。拉线传感器，机身中部有倾角传感器，截割电机上还有电流互感装置，这些传感器都由PLC控制。自动调高原理为预先在可编程控制器中输入滚筒高度，在升高过程中拉线传感器感应油缸伸缩量，倾角传感器反馈爬坡角度，数据传回可编程控制器中处理后，转化为摇臂升高量。当截割部触碰到岩石时，电流互感器输出一脉冲到PLC中，油缸停止供油，摇臂到达新的高度。采煤机的工作系统在智能系统的控制下自动跟踪第一刀的截割路径，实现了截割过程的自动化[7]。

2.3 采煤机远程监控及故障诊断技术

2.3.1 基于CAN总线的远距离通讯控制技术

采煤机进行远程监测和控制时，必须保证数据的有效性、可靠性、实时性，数据采集及传输采用CAN总线，远程数据传输采用屏蔽双绞线或光纤，在硬件上增加隔离、吸收电路，在软件中通过滤波算法，去除干扰信号，解决在矿井复杂电磁环境下，不同设备间的可靠通讯，实现数据通讯的兼容性和开放性，提高设备的通讯抗干扰能力[8]。

2.3.2 基于多传感信息融合的采煤机电装备状态监测与故障诊断

通过采用多传感信息融合技术，达到对摇臂振动、温度在线监测及润滑油质的监测，多传感器融合技术可以强化采煤机优良传感器的工作状态，研究不同种类之间传感信息的融合方法，使用判定算法进行状态监测和故障诊断。

2.3.3 基于DSP技术的采煤机故障诊断

以DSP为平台的的故障诊断系统来实现对采煤机的实时检测与诊断功能[9]，包括故障振动信号采集、数字信号处理、采集信号和诊断结果的存储、故障信号的诊断和结果信号的信息融合。

2.4 采煤机与物联网技术的融合

智能制造下新业态新模式的制造业是顺应“互联网+”以及制造业服务化的大趋势。采煤机与物联网技术的融合可以实现综采工作面的无线网络通讯[10]。

在计算机控制下，物联网技术与基础设备、中间传输信息介质形成一个整体。物联网控制采煤机可识别煤岩体、控制采煤机牵引速度、控制滚筒高度等，开发的基于物联网技术的控制器具有逻辑判断性，即在基础段传感器等设备采集的信号基础上，控制处理中心要进行分析、判断，控制中心发出执行指令。物联网自动化控制技术的应用，真正实现综采工作面智能控制系统，降低了采煤机故障率，提高了矿井生产效率。

3 智能制造在煤机领域发展趋势

新一代智能制造的理念是以数据为核心，实现物物相连，对应煤机领域要加强智能制造能力建设，升级产品核心竞争力及科技附加值，满足客户多元化、个性化的定制需求。

3.1 建设产品与数据的标准化、模块化

煤机装备的标准化、模块化，就是针对小批量、多品种的产品。其零部件进行标准化加工，适应柔性生产需求，做到研发设计和生产工艺的融合，完善一体化体系，加强智能制造理念，实现设计、工艺、制造的协同。

3.2 创新智能制造工艺系统

煤机装备智能制造体现在生产环节就是工艺的智能化。前述自动焊接机器人的应用就是焊接工艺的优化。煤机智能工艺系统的实现就是要求工厂总体设计、工艺流程及布局均已建立数字化模型，并进行模拟仿真，实现生产流程数据可视化和生产工艺优化。

建立数据采集和监控系统，生产工艺数据自动数采率达到90%以上。实现原料、关键工艺和成品检测数据的采集和集成利用，建立实时的质量预警。

采用先进控制系统，工厂自控投用率达到90%以上，关键生产环节实现基于模型的先进控制和在线优化。

3.3 智能制造信息化系统和基础网络

要推进制造过程智能化，重点领域是建设智能工艺数字化车间，即智能工厂。

智能工厂，通过构建智能生产系统网络化分布生产设施，实现生产过程智能化，再基于CPS和工业互联网构建智能工厂，包括物理层、信息层、大数据层、工业云层、决策层。物理层包含了工厂内各层硬件设备，从最小生产单元到装配单元，从物流到存储再到管理，全程全厂实现互联互通，构建一个“可测可控，可产可管”的纵向集成环境。

4 我国在煤机装备领域发展途径

我国煤机市场尚不成熟，众多煤机生产商仍存在混乱无序的状态，整体上与国际先进水平差距表现在：技术标准差距大、设计理念落后、关键软硬件设备仍需进口，产品使用寿命短、可靠性差，工艺、检测、加工设备落后等。

我国煤机装备制造业企业要立足我国煤炭地质和生产现状，积极进行煤炭制造相关科学技术的发展，投入大量资金对煤炭制造技术进行研发，利用三维数字化设计等相关软件，对大功率采煤机、岩巷挖掘机、大型运输提升和洗选设备等进行专业技术的研发，希望能逐步攻克这些技术难关，使得中国的煤机制造业能吸收、消化这类重大装备的研发技术。

其次，根据《中国制造2025》战略要求进行转型升级，实现数字化、网络化、智能化，发展具有高可靠性和智能化煤机成套装备，在企业管理方面要推进精益管理，在人才培养方面要制定煤机领域人才培养体系，这些都是煤机装备领域发展智能制造的根本路径。

5 结束语

本文重点介绍了智能制造理念在我国煤机装备的发展现状，并具体以采煤机现有的先进技术为例进行了介绍；指出了智能煤机在今后的发展趋势：标准化、数字化、网络化以及实现煤机装备智能制造的根本途径。希望我国煤机领域能按照《中国制造2025》战略规划，步步为营，逐步壮大，早日跻身世界煤机制造先进行列。