提高刨煤機采煤工藝自動化控制程度的途徑分析

周丹

摘 要：刨煤機采煤工藝適用于薄煤層的開采，其自動化的強度決定著生產(chǎn)效率的高低和礦工的勞動強度，文章在介紹刨煤機采煤工藝自動控制原理的基礎上，闡述了鐵煤集團公司應用刨煤機采煤自動化程度的現(xiàn)狀、原因和解決方案，并針對提升刨煤機采煤工藝自動控制的“軟特性”進行了初步探討，提出了在刨煤機自動控制系統(tǒng)中加入負反饋，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。利用閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，既可以減少外界干擾信號，還可以提高實時校正的功能。

關鍵詞：刨煤機；采煤工藝；自動控制；閉環(huán)控制

鐵煤集團作為一家已走過了50余年的大型現(xiàn)代化煤炭開采企業(yè)，在目前煤炭行業(yè)整體陷入經(jīng)濟效益與發(fā)展下滑的不利條件下，鐵煤集團面臨著資源萎縮，利潤空間縮小，迫切需要降低噸煤回采成本，采用刨煤機采煤工藝自動化便具有了重要的意義，首先采用刨煤機采煤工藝以適應薄煤層的開采要求，同時借助自動化控制可以實現(xiàn)減少采煤工作面作業(yè)人員，減少人員在小采高工作面操作作業(yè)的困難局面，保證回采作業(yè)安全等。還可以減輕工人勞動強度與工作條件，降低采煤人力資源成本，提高經(jīng)濟效益與社會效益。

1 刨煤機采煤工藝自動控制的基本原理

在20世紀40年代初期出現(xiàn)刨煤機工作面以來，刨煤機從手動操縱和人工翻打支柱，到無人操作的自動控制，刨煤機的自動化采煤工藝一直在飛速發(fā)展。早在20世紀70年代，德國魯爾集團DBT公司把計算機和自動控制技術與刨煤機械聯(lián)系到一起，即開發(fā)全自動控制的刨煤機。至20世紀80年代在德國已經(jīng)得到了廣泛的應用，此項技術是目前世界上最先進的薄煤層開采技術，一般月產(chǎn)都在幾十萬噸[ 1 ]。

全自動控制的刨煤機最大的特點就是實現(xiàn)了自動化操作，即破碎機、轉載機、輸送機、刨煤機的起動和停止實現(xiàn)了集中控制，以及輸送機的推移以及液壓支架的前移實現(xiàn)了自動操作，刨煤機的運行實現(xiàn)了自動的往返。

刨煤機的自動控制系統(tǒng)主要由PROMOS系統(tǒng)和PM4系統(tǒng)組成，如圖1所示。

PROMOS系統(tǒng)主要是收集各種傳感器元件信號進行處理后對破碎機、轉載機、輸送機、刨煤機的開關進行控制。而PM4系統(tǒng)則收集PROMOS系統(tǒng)中位置信號對支架進行升架、降架、拉架、推溜的4種基本操作，并通過各種參數(shù)配置和邏輯運算對支架進行更進一步的動作。PROMOS系統(tǒng)主要由控制盤、輔助控制器、終端感性元件、執(zhí)行元件、急停、電話等部件組成。主要的信號識別、位置判斷、執(zhí)行元件的開啟關閉等邏輯運算由主控制器完成。可以把主控制器看成是PROMOS系統(tǒng)的核心部分，而PM4系統(tǒng)除收集位置信號外，還對本身的壓力傳感器和測控桿數(shù)據(jù)進行處理，用以完成支架適應任何生產(chǎn)條件的動作。兩套系統(tǒng)以刨頭位置信號為依托并形成開環(huán)控制。在這種開環(huán)控制的自動控制系統(tǒng)中，由于開環(huán)控制系統(tǒng)的本身的輸出量不會對系統(tǒng)的控制作用發(fā)生影響，因此不具備自動修正的能力，也就是說系統(tǒng)本身的輸入包含給定值輸入和干擾輸入，必然會導致支架操作會受環(huán)境的影響而出現(xiàn)誤差[2-3]。

2 鐵煤集團公司刨煤機采煤工藝自動化控制的發(fā)展現(xiàn)狀

為適應薄煤層開采的需要，鐵煤集團公司幾年來先后與德國公司及國內(nèi)三一重工合作引進了幾套刨煤機綜采設備，到目前為止計有4套德國產(chǎn)刨煤機設備及1套三一重工產(chǎn)刨煤機設備在用，從各礦的實際應用情況看，在自動化控制的實現(xiàn)程度上存在著較大的問題，主要表現(xiàn)為未按照設計實現(xiàn)完全的自動控制，而是人工控制與自動控制并存的不完全自動控制。這就影響制約了自動化控制優(yōu)越性的充分實現(xiàn)。從綜采三大設備看，刨煤機與刮板運輸機的運行能夠實現(xiàn)自動控制，而液壓支架的操作則基本依靠人工操作。

總體上看自動控制的刨煤機采煤工藝的優(yōu)越性還沒有充分發(fā)揮出來，有必要對其進行系統(tǒng)的分析解決。

3 導致鐵煤集團公司刨煤機采煤工藝自動控制沒有完全實現(xiàn)的原因分析

分析起來刨煤機采煤工藝不完全自動控制的原因主要有以下4個方面：（1）在漫長的地質年代里自然形成的煤層其賦存條件是復雜多變且呈非線性變化的，如煤層的厚度、頂板、底板均顯現(xiàn)出一定的起伏變化，而按照非理想工作條件——但實質上卻仍屬有限的預定的設計條件——進行設計的刨煤機采煤設備自動控制系統(tǒng)必然客觀上無法適應千變?nèi)f化的煤層賦存條件；例如底板的非規(guī)則性變化必然導致液壓支架彼此之間相對位置關系的非規(guī)范化。（2）刨煤機采煤工藝配套設備的自動控制系統(tǒng)在適應煤層賦存自然條件的柔性（或曰“適應彈性儲備”）不足，或者說其適應的條件參數(shù)過于有限的簡單剛性，缺乏更加充分的軟特性與智能化。（3）刨煤機采煤工藝設備在安裝、拆卸、運輸、日常維護、管理等方面工作存在問題，導致設備自動控制系統(tǒng)產(chǎn)生物質性的部件損壞或系統(tǒng)軟件故障，造成自動控制系統(tǒng)無法正常工作。（4）由于傳統(tǒng)觀念的落后，相關管理人員對自動化的刨煤綜采設備對操作人員綜合素質的高要求認識不足，日常工作管理中仍然安排一般工人進行操作。而操作人員的綜合素質及操作技能較低不能適應自動化的刨煤綜采設備要求時必然造成人機系統(tǒng)不匹配。

4 實現(xiàn)刨煤機采煤工藝自動控制的解決方案

根據(jù)前述分析，顯然要實現(xiàn)完全的刨煤機采煤工藝自動化控制就必須從以下幾個方面采取措施：（1）全面加強刨煤機采煤設備使用操作、日常維護、檢修、安裝、拆除、運輸?shù)葢眠^程各環(huán)節(jié)的系列管理，確保自動控制系統(tǒng)正常運行提供堅實的物質技術基礎。（2）與刨煤機采煤設備生產(chǎn)廠家合作對設備設計進行全面的提升改造，增強設備的智能化，以使刨煤機采煤設備能夠自動準確地對煤層賦存條件參數(shù)等進行 “定量式的識別”，并將之轉換為控制參數(shù)用以對設備工作狀態(tài)參量的修正調整。（3）與設備廠家合作對刨煤機采煤設備進行軟特性提升設計，增強設備自動控制的指標范圍，不僅要求實現(xiàn)個體設備的運動控制，而且能夠實現(xiàn)設備之間的整體協(xié)調性控制，使之能夠適應充滿變化的煤層。（4）實現(xiàn)刨煤機采煤設備操作人員高端化配置，以全面提升提高刨煤機采煤設備操作人員的專業(yè)素質。

5 關于提升刨煤機采煤工藝自動控制的“軟特性”初步探討

在實際生產(chǎn)采煤巷道中，刨煤機和輸送機的自動化控制水平較高，液壓支架與輸送機的自動化控制水平相對較弱，而刨煤機自動控制軟特性的強弱主要是由PROMOS系統(tǒng)和PM4系統(tǒng)的程序算法決定的。在刨煤機工作面中，每臺PM4控制相應的3臺支架，并時刻搜索每個支架上的壓力傳感器和行程傳感器的數(shù)據(jù)，結合刨煤機的位置作出相應的支架動作[4]。而液壓支架動作結束后，會造成液壓支架彼此之間相對位置關系的非規(guī)范化，這就是PROMOS系統(tǒng)和PM4系統(tǒng)的開環(huán)控制造成的。如果在PM4系統(tǒng)發(fā)送給電磁閥閥芯一定的電壓值后，在通過先導閥作用于液壓閥上使支架動作的過程中進行負反饋處理，也就形成了兩套系統(tǒng)的閉環(huán)控制，不但避免了在開環(huán)控制系統(tǒng)中干擾輸入帶來的誤差，還會檢測出誤差，并可以對其進行校正，如圖2所示。

MCU和PM4 SERVER負責收集全工作面信息和對PROMOS系統(tǒng)之間的聯(lián)系。MCU可根據(jù)收集信號形成反饋圖像，便于操作人員分析工作面情況。而PM4 SERVER則是MCU和普通PM4的交流接口，它不但可以取得PROMOS系統(tǒng)的刨頭位置數(shù)據(jù)，還可以對全工作面的其他PM4進行狀態(tài)和參數(shù)的設定。PM4決定的支架動作是通過PM4電磁閥完成的，每當滿足支架的動作條件時，PM4會發(fā)送給電磁閥閥心一個電壓值，使相應閥心啟動，然后通過先導閥作用于液壓閥上使支架動作。在支架動作的過程中，實時將支架的位置信號數(shù)據(jù)反饋給PM4 SEVER進行負反饋計算，使外界干擾信號減為最小，并可以實時校正。

6 結語

薄煤層采煤，特別是近水平開采是井下最難于實現(xiàn)高效和人性化開采的，刨煤機采煤工藝的自動化程度的提高不但減輕了工人勞動強度，降低采煤的人力資源成本，還提高了經(jīng)濟效益與社會效益

[參考文獻]

[1]韓素媛.全自動控制刨煤機在薄煤層采煤中的應用[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2010（20）：89-93.

[2]韓國慶，周冬莉.PROMOS監(jiān)控系統(tǒng)在綜采工作面中的應用[J].河北能源職業(yè)技術學院學報，2004（1）：37-40.

[3]劉英，周明弘.進口全自動化刨煤機采煤工藝的探索[J].煤炭技術，2004（7）：78-81.

[4]王洪凱，黃艷成.應用全自動化刨煤機開采薄煤層[J].煤炭技術，2004（10）：45-48.

[5]黃東風，郝勝禮.國產(chǎn)全自動化刨煤機在曉明礦的成功應用[J].中國標準導報，2012（8）：102-104.

Analysis on the Way of Improving the Degree of Plough Mining Process Automation Control

Zhou Dan

（Liaoning Polytechnic Vocational College， Jinzhou 121007， China）

Abstract： Plough mining technology for thin seam mining， determines the strength of the automation of high and low production efficiency and lower the Labour strength of the miners， the article introduces the plough mining on the basis of the principle of automatic control technology， expounds the application TieMei group company plough mining automation degree of current situation， reasons and solutions， and aims at improve plough mining process of automatic control "soft" has carried on the preliminary discussion， put forward the coal planer automatic control system with negative feedback， to form a closed-loop control system. Using closed-loop automatic control system， can reduce the interference signal， also can improve the function of real-time correction.

Key words： coal plough； coal mining process； automatic control； closed-loop control