自动化控制技术在电牵引采煤机中的应用

电牵引采煤机是现代化煤矿开采的核心装备，依靠牵引特性可控、调速范围宽、动态响应快等技术优势，成为提升综采效率与适应复杂地质条件的关键载体，随着煤炭行业朝着“安全、高效、绿色”方向深度转型，传统机械控制模式难以满足智能化开采需求，基于工业互联网、人工智能与数字孪生的自动化控制技术推动采煤机向自主感知、智能决策与协同控制方向范式升级，这一变革不仅重构“人 - 机 - 环”交互关系，还成为破解深部开采、薄煤层高效回采等行业难题的技术突破口。

1 电牵引采煤机自动化控制技术体系

1.1 核心控制架构

电牵引采煤机核心控制架构采用分层分布式的设计方式，构建出现场层、控制层和管理层协同合作的立体化控制网络，现场层把 PLC/PAC 控制器当作核心部分，集成截割电机、牵引变频器等执行单元，借助高精度传感器阵列达成运行参数的实时采集，控制层基于工业以太网与 PROFINET、CANopen 等现场总线融合的通信技术，构建起高速率、低时延的数据传输通道，确保控制指令与状态反馈实现毫秒级响应，管理层依托边缘计算平台与矿山工业互联网，实现生产数据的可视化、故障诊断专家系统以及远程运维决策支持，为保障系统运行的可靠性，架构中嵌入电源冗余、通信链路冗余以及控制器热备份设计，结合 IEC61508 标准的功能安全认证，让系统在极端工况之下仍能维持 99.99% 的可用性，为智能化开采提供坚实可靠的技术底座[1]。

1.2 关键技术模块

电牵引采煤机关键技术模块围绕智能化、高可靠性与能效优化核心，构建起全流程闭环控制体系，牵引控制子系统运用矢量变频调速技术，通过直接转矩控制实现转矩与磁链独立精准调节，较传统 V/F 控制动态响应速度提升 3 倍以上，配合四象限运行能量回馈机制将制动能量回收率提至65% 显著降低能耗，防滑防倒动态补偿算法基于加速度传感器与电机电流实时监测，通过模糊 PID控制动态调整牵引力分配，使设备在 15°坡道工况下滑移率控制在 2% 以内，截割控制子系统集成记忆截割技术，利用激光雷达与惯性导航构建三维煤层模型，结合 B 样条曲线实现截割路径毫米级规划与动态修正，负载自适应调速策略通过监测截割电机电流与振动频谱，运用神经网络算法动态优化滚筒转速与牵引速度匹配，使截割比能耗降低 18%，激光定位系统采用高精度线激光扫描技术，实时修正滚筒高度偏差确保截割断面平整度误差小于 ±30mm，状态监测模块通过多传感器数据融合技术，同步采集振动、温度、电流等12 类特征参数，结合 LSTM 深度学习模型实现故障预测，提前 48 小时预警轴承磨损、电机绝缘老化等典型故障，配合 5G 通信的远程专家诊断系统，使设备综合故障停机时间缩短至0.5 小时/ 月，为智能化开采提供全生命周期健康管理保障。

2 自动化控制技术应用场景

2.1 复杂地质条件下的自适应开采

在复杂地质条件的环境当中，电牵引采煤机依靠多模态感知与智能决策技术达成自适应开采，面对煤层厚度出现突变的场景，系统集成激光雷达和惯性导航单元来实时构建煤层三维形貌模型，再结合模糊自适应 PID 控制算法动态调整截割滚筒高度与牵引速度，把截割深度波动范围控制在 ±50mm 以内，同时借助变频调速技术让滚筒转速和煤层硬度实现实时匹配，以此避免截齿出现过载损坏的情况，在遇到断层构造区的时候，基于多轴加速度传感器与电机电流监测，系统运用层次分析法（AHP）评估断层倾角、破碎带宽度等相关参数，通过牵引力智能分配算法动态调节左右牵引部输出扭矩，让设备通过断层时的滑移率降低至 3% 以下，并且激活振动抑制模块减少机械产生的冲击，当瓦斯浓度监测值超过预警阈值的时候，系统马上触发三级安全联锁控制，初级阶段自动降低截割电机功率 30% 来减少产尘量，中级阶段启动高压喷雾降尘系统并切换至低速牵引模式，若浓度持续上升就执行紧急停机指令，同时通过 5G 网络把位置信息与气体数据上传至地面调度中心，联动启动局部通风机强化稀释，形成“感知 - 决策 - 执行 - 反馈”的全闭环安全防护体系，确保复杂地质条件下开采安全与效率能够协同提升[2]。

2.2 无人化工作面协同作业

在无人化工作面当中，电牵引采煤机借助高精度时空协同控制和数字孪生技术，达成与液压支架以及刮板输送机的智能联动作业，基于 UWB 超宽带定位和激光 SLAM 技术，系统构建起工作面设备的三维空间坐标系，通过时间同步协议（PTP）保证采煤机、支架和输送机的动作时序误差小于 100ms，当采煤机进行截割推进的时候，液压支架采用电液控制加视觉伺服复合系统，依据煤壁轮廓自动完成降柱、移架、升柱和推溜的闭环控制，支架动作和采煤机牵引速度的匹配误差控制在 ±5% 以内，刮板输送机通过张力传感器和变频调速技术动态调整运行功率，确保物料运输链的张力保持均衡，5G 网络凭借其低时延（<20ms）和高可靠（99.999%）的特性，支持操作人员在地面控制中心通过多屏交互界面实现采煤机远程遥控，结合力反馈手柄和 AR 全景监控让远程操作的截割轨迹精度达到现场手动操作的 90% 以上，数字孪生技术通过构建包含机械结构、控制逻辑和工艺参数的虚拟模型，在设备部署前完成碰撞检测、控制策略验证和应急预案推演，将现场调试周期缩短 60% ，同时通过实时数据驱动的孪生体映射，为远程运维提供故障预测和工艺优化决策支持，推动无人化工

作面向全流程自主运行演进 [3]。

2.3 能效优化与绿色开采

在能效优化和绿色开采这个领域当中，电牵引采煤机借助多维度能量管理策略以及低碳技术集成，达成开采过程的节能降耗与碳排放精准管控工作，牵引 - 截割联合能量管理策略依据煤层地质模型和设备负载特性，构建出动态功率分配算法，通过实时监测截割电机电流和牵引电机转矩等参数，智能协调双电机功率输出让系统综合能耗降低 15%-20%，再生制动能量回收系统运用四象限变频器和超级电容储能装置，在采煤机减速制动的时候把回馈能量存储于电容组，并且在牵引加速阶段优先释放储能进行供电，经实测该系统能够使能量回收率达到 45%，吨煤电耗下降至 8.2kWh 以下，碳排放监测模块集成高精度气体传感器和边缘计算单元，实时采集 CH₄ 、 C0₂ 等温室气体浓度以及设备能耗数据，结合 GB/T32150-2015 碳排放核算标准构建开采过程碳足迹模型，低碳运行模式通过分析历史数据和生产计划，自动生成最优运行参数组合，比如在低瓦斯区域启动变频调速节能模式、在煤层稳定段切换至记忆截割减少无效动作，配合智能通风系统按需调节风量，使工作面单位产量碳排放强度较传统开采降低28%，推动煤炭开采朝着近零碳目标不断演进[4]。

3 结束语

自动化控制技术深度应用让电牵引采煤机实现从机械传动到智能感知的质变突破，借助多模态控制算法和实时决策系统显著提升设备适应性、开采效率和运行可靠性，它与智慧矿山生态协同发展正在重构产业价值链并推动形成“装备 - 网络 - 平台”三位一体智能化开采范式，面向未来迫切需要构建覆盖控制协议、数据接口和安全规范的行业技术标准体系，同时完善“理论- 工程-运维”全链条人才培养机制为煤矿智能化转型提供技术底座与人才支撑，最终达成安全、高效、绿色的煤炭工业可持续发展目标。

参考文献：

[1] 冯芷胥 . 电牵引采煤机自动拖缆装置改造与应用 [J]. 机械管理开发 ,2025,40(06):311-312+315.

[2] 郝中华 . 矿山机电自动化控制技术应用研究 [J]. 中国设备工程 ,2022,(24):255-257.

[3] 张志军 . 自动化控制技术在电牵引采煤机中的应用 [J]. 机械管理开发 ,2021,36(09):292-294.

[4] 胡延军 . 矿山机电自动化控制技术的应用研究 [J]. 中国金属通报 ,2020,(10):73-74.