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1、機電一體化論文：地下開采礦山中機電一體化的應用 摘要 本文對機電一體化技術進行了概述，簡要介紹了機電一體化技術的發(fā)展歷程和趨勢，論述了機電一體化技術的研究在煤礦生產中的重要意義，重點介紹了機電一體化技術在煤礦生產中的應用。 關鍵詞：煤礦；機電一體化；發(fā)展趨勢 目錄 摘要 II 第一章 機電一體化技術的概述 - 1 - 第二章 機電一體化技術的發(fā)展歷程 - 1 - 第三章 機電一體化技術的研究在地下礦山生產中的重要意義 - 2 - 3.1 提高勞動效率 - 2 - 3.2 提高了勞動安全保障 - 2 - 3.3 增加了經濟效益和礦工的勞動

2、收入 - 2 - 3.4 產品操控更加智能化 - 3 - 第四章 機電一體化技術在煤礦中的應用 - 3 - 4.1 機電一體化技術在無人值守智能泵站的應用 - 3 - 4.2 機電一體化技術在提升機中的應用 - 3 - 4.3 機電一體化技術在帶式輸送機中的應用 - 4 - 4.4 在礦井通風機中的應用 - 4 - 4.5 在空氣壓縮機控制系統(tǒng)中的應用 - 4 - 4.6 其他 - 5 - 第五章 機電一體化技術的發(fā)展趨勢 - 5 - 5.1人格化 - 5 - 5.2微型機電化 - 5 - 5.3信息智能化 - 6 - 5.4光機電一體化 - 6 - 5.5產品綠色

3、化 - 6 - 5.6網絡化 - 6 - 5.7模塊化 - 6 - 5.8柔性化方向 - 6 - 5.9系統(tǒng)化 - 7 - 結論 - 7 - 參考文獻 - 8 - 致謝 - 9 - 第一章 機電一體化技術的概述 隨著現代科學技術的不斷發(fā)展，科學技術極大地推動了不同學科的交叉與滲透，尤其是工程領域的技術革命。使得機械工業(yè)的技術結構、功能與構成、產品結構、生產方式和管理體系發(fā)生了巨變，使工業(yè)生產由“機械電氣化”逐步邁入以“機電一體化”為特征的發(fā)展階段。 “機電一體化”(Mechatronics)是指在機構的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進電子技術，將機械裝置與

4、電子化設計與軟件相結合所構成的系統(tǒng)的總稱。是集機械、電子、計算機和信息技術等多種技術為一體的一門交叉綜合技術。其基本特征可概括為：機電一體化是從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，綜合運用機械技術、微電子技術、自動控制技術、計算機技術、信息技術、傳感測控技術、電力電子技術、接口技術、信息變換技術以及軟件編程技術等群體技術，根據系統(tǒng)功能目標和優(yōu)化組織目標，在多功能、高質量、高可靠性、低能耗的意義上實現特定功能價值，并使整個系統(tǒng)最優(yōu)化的系統(tǒng)工程技術。由此而產生的功能系統(tǒng)，則成為一個機電一體化系統(tǒng)或機電一體化產品。 機電一體化技術具有下述優(yōu)勢：提高使用的安全性和可靠性、改善使用性能。機電一體化產品均具有自動監(jiān)視、報警

5、、診斷等功能，大大簡化了操作步驟并且簡單、方便；適用面廣、生產能力強、工作質量高。機電一體化產品的各種自動功能適用于不同的場合和領域，應變能力強，很大程度提高了控制和檢測的靈敏度和精度；具有復合功能、調整和維護方便，機電一體化產品具有復合技術和復合功能，它的它的自動化檢驗和自動監(jiān)視功能可對工作過程中出現的故障自動采取措施，使工作恢復正常。 第二章 機電一體化技術的發(fā)展歷程 機電一體化的發(fā)展大體可以分為三個階段： （1）20世紀60年代以前為第一階段，這一階段稱為初級階段。在這個階段，人們自覺不自覺地利用電子技術的最初成果來提高機械產品的性能。特別是在第二次世界大戰(zhàn)中，戰(zhàn)爭刺激了機械產品與

6、電子技術的發(fā)展與結合，這些軍用技術，戰(zhàn)后便轉為民用技術，對戰(zhàn)后經濟的恢復起到了積極的作用。當時情況，研制和開發(fā)總體上還處于初級階段。由于電子技術的發(fā)展還沒達到一定的水平，機械技術與電子技術的結合不能得到廣泛和深入發(fā)展，已經開發(fā)的產品也無法大量推廣。 （2）20世紀70—80年代為第二階段，可稱為蓬勃發(fā)展階段。這一時期，計算機技術、控制技術、通信技術的發(fā)展，為機電一體化的發(fā)展奠定了技術基礎。大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路和微型計算機的出現，為機電一體化的發(fā)展提供了的物質基礎。這個時期的特點是：mechatronics一詞首先在日本被普遍接受，大約到20世紀80年代末期在世界范圍內得到比較廣泛的承認；

7、機電一體化技術和產品得到了極大發(fā)展；各國均開始對機電一體化技術和產品給予很大的關注和支持。 （3）20世紀90年代后期，開始了機電一體化技術開始向智能化方向發(fā)展，機電一體化進入深入快速發(fā)展時期。一方面，光學、通信技術和細微加工等技術在機電一體化中逐漸嶄露頭腳，并且逐步出現了光機電一體化和微機電一體化等新分支技術領域；另一方面，對機電一體化系統(tǒng)的建模設計、分析和集成方法，機電一體化的學科體系和發(fā)展趨勢都進行了深入研究。與此同時，人工智能技術、神經網絡技術及光纖技術等領域取得的巨大進步，為機電一體化技術開辟了新的發(fā)展空間。這些研究，使機電一體化逐漸進一步形成完整的學科體系。 我國是從20世紀8

8、0年代初才開始進行這方面的研究和應用。國務院成立了機電一體化領導小組，并將該技術列入“863計劃”中。在制定“九五”規(guī)劃和2010年發(fā)展綱要時充分考慮了國際上關于機電一體化技術的發(fā)展動向和由此可能帶來的影響。許多大專院校、研究機構及一些大中型企業(yè)對這一技術的發(fā)展及應用做了大量的工作，取得了一定成果。但與日本等先進國家相比，仍有相當差距。 第三章 機電一體化技術的研究在地下礦山生產中的重要意義 3.1 提高勞動效率 機電一體化產品的應用極大地改變了落后的生產方式，大量新的自動化電子設備的使用改變了煤礦的運作模式，大大降低了工人的勞動強度，提高了勞動生產率，提高了工作效率。機電一體化技術可以

9、利用分布式控制實現生產優(yōu)化。通過分布式控制，實現對上位機操作系統(tǒng)的集中監(jiān)控和分散運行。因此，隨著分布式控制系統(tǒng)的開發(fā)和應用，可以實現對整個生產過程的控制，優(yōu)化紅絲線生產和產品調度統(tǒng)計管理系統(tǒng)，提高綜合生產效率。 3.2 提高了勞動安全保障 傳統(tǒng)的煤礦工作環(huán)境惡劣，他們長期處于充滿粉塵的潮濕環(huán)境中，高負荷作業(yè)嚴重影響礦工的健康和生活質量，有時候甚至會危及礦工的人身安全。機電一體化使得煤炭開采、運輸設備的使用得到極大的進步，不僅可以使工人從繁重的體力勞動中解放出來，而且可以減少礦山事故與風險以及礦工職業(yè)病的發(fā)生，保障礦工的生命安全。 3.3 增加了經濟效益和礦工的勞動收入 煤礦機電一體化技

10、術的應用，極大地提高了煤炭產量，增加了企業(yè)的經濟效益，提高了礦工的收入，提高了礦工的生活質量。煤炭企業(yè)的快速發(fā)展帶動了其他相關產業(yè)的快速發(fā)展，對促進當地經濟的快速發(fā)展起到了積極的推動作用。 3.4 產品操控更加智能化 在機械制造領域，機電一體化技術的應用具有重要意義。由于微處理器是機電一體化技術的核心，并且結合數據信息操控系統(tǒng)可以大大提高整個系統(tǒng)控制的精確度。在機械生產的過程中，整個工業(yè)具有高速化、連續(xù)性的特點，如果不采用機電一體化技術，就難以對生產線進行智能化的控制，無法配套各個設備的系統(tǒng)控制。 第四章 機電一體化技術在煤礦中的應用 隨著礦山面積的擴大和采區(qū)的增大，老礦山在單位生產中

11、存在著人員多、效率低、能耗高的問題，已不能適應現代礦山企業(yè)的需要。要想生存和發(fā)展，就必須淘汰落后產能，改造落后的高耗能設備，實現產業(yè)的轉型升級，這也是現代礦山企業(yè)生存和發(fā)展的需要。 4.1 機電一體化技術在無人值守智能泵站的應用 目前，許多礦山使用無人值守智能控制排水系統(tǒng)是基于原有自動化設施的基礎上進行改造，以使設備的自動運行和自我診斷控制系統(tǒng)不受外界干擾，該系統(tǒng)由數據采集與檢測、現場監(jiān)測與控制、遠端監(jiān)控指揮等3個部分組成。該系統(tǒng)通過對信號進行檢測和反饋，由壓力傳感器、速度傳感器、溫度傳感器等傳感器進行信號傳輸，對信號反饋進行分析，由控制計算機對水泵進行相應的指令控制。當水位上升時，DCS

12、柜就會將水位傳感器傳出的信號轉換為計算機可識別的數字信號傳入控制計算機，經控制計算機進行判斷后，由控制計算機發(fā)出指令操縱啟動柜完成相應操作。在泵的運行過程中，電流互感器、溫度傳感器等設備將數據經DCS柜轉換傳給控制計算機，從而實現對水泵運行工況進行全程監(jiān)控。如果發(fā)現水泵運行異常，控制計算機將發(fā)出一系列指令使水泵停止運行，同時啟動備用泵，控制計算機記錄的所有數據都可提供查詢使用。該系統(tǒng)所使用的遠端安全監(jiān)控系統(tǒng)不僅提供了前端作業(yè)區(qū)實時視頻瀏覽，而且可實現門禁及動力環(huán)境設備實時報警，在第一時間將報警信息及現場采集的影像資料上傳至中控室或網絡管理中心，由網絡管理中心進行遠程操作排除險情，使事故得到及時

13、處理，做到泵站在少人或無人值守的情況下能夠正常運行，真正體現了泵站的現代化管理和智能化操作。 4.2 機電一體化技術在提升機中的應用 礦井提升是礦山生產中至關重要的一部分，該設備需要的電氣傳動性能及機械性能要求很高，目前礦井提升機是礦山機電一體化設備中自動化水平最高的設備。目前所使用的全數字化交直流提升機，機械結構已經大為簡化，充分體現了機械一計算機一自動控制的完美結合。與此同時，采用PLC技術、變頻技術等大大簡化了電器設備的安裝，使系統(tǒng)組合十分方便，同時通過采用芯片統(tǒng)一控制和PLC外端電路相結合的控制方式，使PLC系統(tǒng)除能實現繼電器系統(tǒng)具有的功能外，還能實現一部分軟件功能，提高了提升機的

14、可靠性。該系統(tǒng)具有較為的軟硬件保護環(huán)節(jié)；實現了電機的真正軟啟動；實現了無級平滑調速，可在靜態(tài)或動態(tài)隨意調整電動機轉速；運行平穩(wěn)，無轉差沖擊，大大減小了機械沖擊的強度，使得操作系統(tǒng)能夠實現手動、半自動、全自動運行；除了常規(guī)的保護外，還具有深度指示器斷軸(斷線)保護、減速點后備保護、錯向保護、給定方向記憶保護、二級制動解除保護、減速段超速保護等功能；并且系統(tǒng)能實現提升機運行過程的全自動監(jiān)控，對提升機運行過程中的參數及可能危及提升機正常運行的設備進行監(jiān)測，并具有故障顯示、報警功能等；還有就是維護工作量比原系統(tǒng)少很多，耗電量也大大降低，節(jié)能效果非常明顯。電控系統(tǒng)結構簡單、應用靈活、編程方便、運行穩(wěn)定可

15、靠，大大提高了提升機的安全運行，減少維護工作量，縮短了提升時間，提高了生產效率。目前我國研制成功的擁有自主知識產權的數字化提升機，其核心部分采用了由雙CPU構成的計算機系統(tǒng)，具有性能先進、操作簡便、準確可靠的特點，提高了提升機的性能，實現了提升機的全自動化。 4.3 機電一體化技術在帶式輸送機中的應用 帶式輸送機是我國井下輸送系統(tǒng)的最主要的運輸設備，它具有長距離連續(xù)輸送、輸送量大、運行可靠、效率高和易于實現自動化等特點。因此，近年來帶式輸送機已成為機電一體化技術的研究熱點。目前主要采用CST可控軟啟動裝置。它是一種專為煤炭或金屬礦石的長距離皮帶運輸機而設計的軟驅動裝置。一條皮帶運輸機可以由

16、一臺或多臺CST驅動。由于缺乏動態(tài)分析和在線監(jiān)控技術以及啟動延遲技術的支持，所以我國帶式輸送機一般為三點驅動，對輸送機的單機長度和運量有一定的限制。另外，輸送機的監(jiān)控設備的功能、可靠性、靈敏度和壽命都與發(fā)達國家相比存在著顯著的差距。 4.4 在礦井通風機中的應用 礦井通風機是地下礦山生產中主要的用電設備之一，所以其節(jié)能運行是礦山節(jié)能降耗工作中的重中之重。近年來地下礦山開采的特點逐漸明朗：巷道逐年加深加長，產量逐年增加，所需的通風量逐年上升。但礦井通風機在設計選型時，一般是按最大開采量時所需的風量為依據的，一般都留有余量，因此礦井在投產后幾年甚至十幾年內，礦井通風機都是處在低負載下運行。此外

17、，由于礦山井下作業(yè)不均衡，不同時間所需要的風量也不同，以前的礦井在調節(jié)風量時，比較常見的做法是調節(jié)檔板，這種辦法雖然簡單，但從節(jié)能的觀點看，是很不經濟的。為了達到節(jié)能降耗的目的，可將可編程控制器應用在主通風機的自動化變頻系統(tǒng)上，該系統(tǒng)是以可編程序控制器作為控制核心，智能變頻器作為執(zhí)行核心的機電一體化成果。兗州礦業(yè)(集團)公司楊村煤礦將此項技術應用于南風井和北風井的主通風機自動化變頻系統(tǒng)，通過改造后使主風機運行穩(wěn)定可靠、調速平滑方便，而且在保證井下正常供風的情況下因礦井的風量需求減少使得全年節(jié)約電費達到上百萬元。 4.5 在空氣壓縮機控制系統(tǒng)中的應用 空氣壓縮機是礦山生產的四大固定設備之一，

18、生產壓縮空氣，用以帶動風動鑿巖機等設備以及其他風動工具，該設備能否安全運行直接影響礦山生產的產量和效益問題。隨著礦山生產現代化的發(fā)展，對礦山設備的要求也越來越高，礦山設備不斷更新換代，對設備的可靠性、易操作性、可監(jiān)視性、易維護性提出了更高的要求。過去由繼電器搭成的控制器已不能適應當前的需求。隨著電子技術、軟件技術、控制技術飛速發(fā)展，可編程控制器(PLC)與由繼電器搭成的控制器相比，因其高性能和良好的性價比受到了用戶的青睞。目前很多礦山使用的螺桿式空氣壓縮機，都是采用PLC作為核心控制器，通過檢測儀器為PLC提供控制中所需要的信號參數，從而對空壓機進行自動巡回檢測控制。進行監(jiān)控的主要參數有空壓機

19、高低壓缸溫度、潤滑油溫度、電機溫度、排氣溫度、排氣壓力等，實現了對設備運行的實時監(jiān)控。同時系統(tǒng)內部的軟邏輯功能，極大的簡化了空壓機控制回路外部接線，外部線路清晰明了。此外PLC 支持在線編輯功能，方便現場實現調試，增加了故障指示功能和故障閉鎖功能，便于空壓機故障的查找和處理，極大地縮短了系統(tǒng)恢復時間，即使非電氣專業(yè)人員也可以根據故障顯示知道故障所在，及時檢查和處理，從而極大地提高了系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)程序設計中采用相互閉鎖接點故障檢測設計，避免主交流接觸器、熱繼電器、水壓儀表、油壓儀表出現接點故障，在滿足工藝要求的基礎上程序設計語句實用、簡練、功能清晰明了，提高了設備的自動化管理水平。 4.6

20、 其他 煤礦機電一體化設備液壓支架則向電液控制方向發(fā)展，將計算機技術與液壓控制有機結合，實現定壓雙向鄰架或成組自動移架，避免對頂板和支架產生沖擊載荷。煤礦供電要求是供電要可靠，質量要高，能滿足大功率設備。因此應該推廣節(jié)能型產品。高壓開關柜采用維護量小，使用壽命長的真空開關。目前高、低開關柜普遍采用了“微機保護”，具備網絡功能，可以實現遠程遙控、遙測、遙信和遙調。 機電一體化技術是企業(yè)信息化的重要支撐技術，目前已經成為礦山綜合自動化的基礎。機電一體化技術在煤礦采、掘、運裝備的應用和推廣，極大地提升了我國煤礦生產的綜合實力，為實現高效、安全、潔凈、結構優(yōu)化的煤炭工業(yè)生產打下了扎實的基礎。 第

21、五章 機電一體化技術的發(fā)展趨勢 5.1人格化 人格化的發(fā)展方向人格化是機電一體化發(fā)展的重要方向之一，機電一體化人格化的發(fā)展主要是指機電一體化系統(tǒng)能有效地模仿人類的生命機能，且整個過程中非常注重人與產品之間的聯系。因此，這是一種比較適合人類操作和使用的機電一體化技術，與人之間具有共性。同時，由于機電一體化產品的最終操作者是人，其形成和產出的主要目的是有效完成人類所需要完成的目標和任務，因此，提升機電一體化產品的智能化過程，即是將人的情感融入其中，從而真正實現機電一體化的人格化發(fā)展。 5.2微型機電化 目前，借助半導體蝕刻技術已經成功制造出亞微米級的機械元件，若將該成果應用于實際產品中，就

22、能完全實現機械和電子的相互融合，將CPU、機體、傳感器、執(zhí)行機構有效集成，不僅體積小，還能組成一種自律元件。這表明了機電一體化朝著微型機械學發(fā)展的重要趨勢，一旦研究成功，必然會給軍事、生物醫(yī)療、信息科技領域帶來重大影響。 5.3信息智能化 信息智能化是基于控制理論基礎，對計算機科學、數學理論、運籌學、動力學和人工智能進行吸收強化的新學科思想，它能模擬人類思維能力，實現高水平的控制目的。隨著科學技術的不斷發(fā)展，機電一體化技術必然日趨智能化，機電一體化產品智能化會成為明顯特征，目前我國的機器人與數控機床的智能結合就是機電一體化技術智能化體現。 5.4光機電一體化 事實上，機電一體化系統(tǒng)包括

23、機械系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)等部件，若在機電一體化技術中積極引進光學技術，就能充分利用光學技術的優(yōu)點，全面改進機電一體化系統(tǒng)的各個處理系統(tǒng)，提高機電一體化工作效率。 5.5產品綠色化 機電一體化產品綠色化主要是指產品在使用過程中不會對生產環(huán)節(jié)造成破壞，即使報廢后也能回收利用。由此可見，機電一體化綠色產品在其設計、生產、使用和銷毀的過程中，是完全符合自然環(huán)境和人類健康的要求，盡可能使得生態(tài)系統(tǒng)得到最大的保護。 5.6網絡化 網絡技術的興起和飛速發(fā)展給機電一體化技術帶來了重大影響。各種網絡將全球經濟、生產連成一片，機電一體化新產品一旦研制出來，只要其功能獨到、質量可靠，很快就

24、會暢銷全球。由于網絡的普及，基于網絡的各種遠程控制和監(jiān)視技術方興未艾，而遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產品?，F場總線和局域網技術使家用電器網絡化已成大勢，利用家庭網絡將各種家用電器連接成以計算機為中心的計算機集成家電系統(tǒng)，使人們在家里分享各種高技術帶來的便利與快樂。 5.7模塊化 機電一體化產品和技術可分為機械、電子和軟件三大部分。模塊化技術是這三者的共同技術。模塊化技術可以減少產品的開發(fā)和生產成本，提高不同產品間的零部件通用化程度，提高產品的可裝配性、可維修性和可擴展性等。融合機械、電子和軟件三大部分的機電一體化模塊代表了未來產品的發(fā)展方向，具有高度自主性、良好協調性和自組織性的特

25、點。 5.8柔性化方向 未來機電一體化產品，控制和執(zhí)行系統(tǒng)有足夠的“冗余度”，有較強的“柔性”，能較好地應付突發(fā)事件，被設計成“自律分配系統(tǒng)”。在這系統(tǒng)中，各子系統(tǒng)是相互獨立工作的，子系統(tǒng)為總系統(tǒng)服務，同時具有本身的“自律性”，可根據不同環(huán)境條件做出不同反應。其特點是子系統(tǒng)可產生本身的信息并附加所給信息，在總的前提下，具有“行動”是可以改變的。這樣，既明顯地增加了系統(tǒng)的能力（柔性），又不因某一子系統(tǒng)的故障而影響整個系統(tǒng)。 5.9系統(tǒng)化 系統(tǒng)化的表現特征之一就是系統(tǒng)體系結構進一步采用開放式和模式化的總線結構。系統(tǒng)可以靈活組態(tài),進行任意剪裁和組合,同時尋求實現多子系統(tǒng)協調控制和綜合管理。表現之二是通信功能的大大加強。一般除RS232外,還有RS485等智能化通信接口。未來的機電一體化更加注重產品與人的關系,機電一體化的人格化有兩層含義:一層是如何賦予機電一體化產品人的智能、情感、人性等等,顯得越來越重要,特別是對家用機器人,其高層境界就是人機一體化;另一層是模仿生物機理,研制出各種機電一體化產品。事實上,許多機電一體化產品都是受動物的啟發(fā)而研制出來的。以微電子技術、軟件技術、計算機技術及通信技術為核心而引發(fā)的數字化、網絡化、綜合化、個性化信息技術革命，不僅深刻地影響著全球的科技、經濟、社會和軍事的發(fā)展，而且也深刻影響著機電一體化的發(fā)展趨勢。