自動(dòng)化采煤控制系統(tǒng)研究

趙海鵬

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)，山西太原 030006）

0 引 言

隨著煤礦產(chǎn)量的逐漸增大，綜采工作面的長(zhǎng)度也逐步變長(zhǎng)，為了提高采煤效率，對(duì)綜采自動(dòng)化技術(shù)的要求也越來(lái)越高[1-3]。現(xiàn)有的液壓支架電液控制系統(tǒng)大多只支持就地控制，即通過(guò)某一臺(tái)支架控制器控制附近液壓支架完成動(dòng)作，液壓支架移動(dòng)速度較慢，難以對(duì)采煤機(jī)割煤后的采空區(qū)及時(shí)支護(hù)[4-5]。隨著工作面液壓支架的數(shù)量增多，工作面需要的操作工人也更多，這與綜采工作面少人化或無(wú)人化的趨勢(shì)相違背，因此自動(dòng)化采煤機(jī)控制技術(shù)的研究十分必要[6-8]。

1 自動(dòng)控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

圖1 自動(dòng)化采煤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自動(dòng)化采煤機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。自動(dòng)化采煤是將采煤機(jī)運(yùn)行位置作為液壓支架動(dòng)作的重要參考，及時(shí)支護(hù)采空區(qū)以及為采煤機(jī)下一步的運(yùn)動(dòng)提供合適的軌道，所以實(shí)現(xiàn)綜采工作面采煤自動(dòng)化的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)液壓支架的自動(dòng)化控制，液壓支架的自動(dòng)化動(dòng)作是由端口控制器以及集控計(jì)算機(jī)通過(guò)遠(yuǎn)程控制完成的。支架控制器通過(guò)雙RS485總線與端頭控制器通信，兩條RS485總線分別負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的上傳以及控制命令的下達(dá)，從而保證通信冗余和實(shí)時(shí)性。支架控制器通過(guò)接收采煤機(jī)發(fā)出的紅外信號(hào)來(lái)判斷采煤機(jī)位置，通過(guò)位移傳感器和壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液壓支架的立柱壓力和移動(dòng)距離，并將這些液壓支架的實(shí)時(shí)參數(shù)上傳至端頭控制器，端頭控制器再將這些信息轉(zhuǎn)發(fā)到集控計(jì)算機(jī)。集控計(jì)算機(jī)在采集到這些參數(shù)信息后一方面會(huì)實(shí)時(shí)顯示，另一方面集控計(jì)算機(jī)也對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行分析，選擇合適的工藝流程，并將工藝控制命令發(fā)送至端頭控制器，端頭控制器根據(jù)工藝控制命令將具體動(dòng)作命令發(fā)送給特定編號(hào)的液壓支架控制器，支架控制器通過(guò)電磁閥組控制液壓支架完成相應(yīng)動(dòng)作。

2 自動(dòng)化采煤工藝分析

為保證采煤過(guò)程的高效、安全，本文作者在參考綜采工作面生產(chǎn)要求的基礎(chǔ)上，設(shè)置了16個(gè)控制工藝段。在不同的工藝段采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)、液壓支架以不同的方式進(jìn)行配合，從而實(shí)現(xiàn)工作面的自動(dòng)化采煤。工作面的寬度、長(zhǎng)度、傾角、采高可以通過(guò)煤層三維模型確定。在確定液壓支架寬度、數(shù)量，采煤機(jī)運(yùn)行速度以及搖臂長(zhǎng)度，建立液壓支架和采煤機(jī)的運(yùn)行模型，模型中以刮板輸送機(jī)的機(jī)頭作為起點(diǎn)，液壓支架和采煤機(jī)的運(yùn)動(dòng)位置都可以用液壓支架累計(jì)推鎦距離x和液壓支架編號(hào)y進(jìn)行確定，即每一個(gè)位置都有唯一對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)（x，y）。

2.1 采煤機(jī)自動(dòng)控制工藝

采煤機(jī)的位置是由液壓支架累計(jì)推鎦位移x和監(jiān)測(cè)到采煤機(jī)紅外信號(hào)的液壓支架編號(hào)y共同確定的，集控計(jì)算機(jī)通過(guò)采煤機(jī)的位置信息在采煤機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索對(duì)應(yīng)的煤層高度，并通過(guò)煤層高度計(jì)算出采煤機(jī)搖臂所需要調(diào)整的高度，從而可以自動(dòng)控制采煤機(jī)搖臂高度。

2.2 液壓支架自動(dòng)控制工藝

支架控制器將采煤機(jī)位置以及自身運(yùn)行狀態(tài)發(fā)送至端頭控制器，端頭控制器將信息進(jìn)一步上傳至集控計(jì)算機(jī)，集控計(jì)算機(jī)根據(jù)液壓支架的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)發(fā)出相應(yīng)的控制命令，這些控制命令通過(guò)端頭控制器下達(dá)至具體編號(hào)的支架控制器，由支架控制器控制相應(yīng)液壓支架完成動(dòng)作。

為控制命令的準(zhǔn)確性，將控制命令的數(shù)據(jù)幀分成7部分，分別是：支架編號(hào)，即被控液壓支架的編號(hào)；動(dòng)作代碼，表示液壓支架需要完成的動(dòng)作類型；推鎦行程，表示液壓支架推鎦時(shí)候推移千斤頂?shù)奈灰?；拉架行程，表示液壓支架在拉架過(guò)程中推移千斤頂?shù)奈灰?；初撐壓力，液壓支架在升架過(guò)程中，觸碰到頂板后達(dá)到初撐壓力時(shí)應(yīng)停止升架；極限時(shí)間，即液壓支架完成規(guī)定動(dòng)作的最大時(shí)間。

液壓支架動(dòng)作采用雙閉環(huán)控制，示意圖如圖2所示。液壓支架在升架過(guò)程中得到規(guī)定的初撐壓力以及在推鎦過(guò)程中達(dá)到規(guī)定的位移行程即停止動(dòng)作；同時(shí)液壓支架如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未能完成動(dòng)作，也要停止動(dòng)作，防止由于設(shè)備故障造成的更大損失。液壓支架在動(dòng)作完成后會(huì)將當(dāng)前立柱壓力和位移行程上傳至端頭控制器，由端頭控制器通過(guò)與控制命令的對(duì)比判斷液壓支架是否動(dòng)作到位，如果達(dá)到控制命令規(guī)定的壓力和位移行程，則發(fā)送下一個(gè)控制命令，如果沒(méi)有動(dòng)作到位，則對(duì)相應(yīng)液壓支架進(jìn)行動(dòng)作修正。

圖2 雙閉環(huán)控制模式示意圖

由于煤礦工作面環(huán)境較為惡劣，地質(zhì)條件較為復(fù)雜，液壓支架在動(dòng)作過(guò)程中可能會(huì)因?yàn)槊簩幼枇蛘咴O(shè)備阻礙導(dǎo)致無(wú)法動(dòng)作到位，如果液壓支架經(jīng)過(guò)3次控制仍無(wú)法完成規(guī)定動(dòng)作，端頭控制器即發(fā)出故障報(bào)警并上傳至集控計(jì)算機(jī)，工人在得到故障報(bào)警后進(jìn)行故障排查。

3 自動(dòng)化采煤控制工藝應(yīng)用

圖3 中間段割煤示意圖

圖4 刮板輸送機(jī)機(jī)尾斜切進(jìn)刀示意圖

圖5 割三角煤示意圖

根據(jù)自動(dòng)化采煤工藝對(duì)工作面液壓支架進(jìn)行區(qū)域劃分，包括推鎦安全區(qū)域q，護(hù)幫板動(dòng)作安全區(qū)域c，以及ASQ（降架—拉架—升架）動(dòng)作安全區(qū)域m，同時(shí)定義采煤機(jī)長(zhǎng)度d，以及彎曲段長(zhǎng)度k采煤機(jī)運(yùn)行方向由L表示，L=1表示采煤機(jī)正向運(yùn)行，L=-1表示采煤機(jī)反向運(yùn)行，其中刮板輸送機(jī)機(jī)頭到機(jī)尾為正方向，反之則為反方向。

在考察綜采工作面實(shí)際生產(chǎn)情況之后對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行如下設(shè)定：q=12，c=6，m=8，d=11。下面是3個(gè)典型工藝段的工作流程。

（1）中間段割煤如圖3所示。圖中采煤機(jī)從61號(hào)液壓支架出開(kāi)始向左割煤，采煤機(jī)控制器控制采煤機(jī)調(diào)整搖臂高度，進(jìn)行自動(dòng)割煤。采煤機(jī)向左割煤的極限是前滾筒達(dá)到2號(hào)液壓支架，此時(shí)采煤機(jī)的中心對(duì)應(yīng)的8號(hào)液壓支架，即采煤機(jī)中心位置經(jīng)過(guò)的范圍是8≤P≤61。在采煤機(jī)運(yùn)行前方的6臺(tái)液壓支架在接收到端頭控制器的命令后開(kāi)始依次收護(hù)幫板和伸縮梁；采煤機(jī)運(yùn)行后方的8臺(tái)液壓支架在收到端頭控制器的命令后，開(kāi)始依次進(jìn)行降架—拉架—升架動(dòng)作；采煤機(jī)運(yùn)行后方的12臺(tái)液壓支架在收到控制命令后需要完成推鎦動(dòng)作，當(dāng)液壓支架的推移千斤頂?shù)奈灰七_(dá)到控制命令的規(guī)定值時(shí)，即停止推鎦動(dòng)作；采煤機(jī)運(yùn)行后方的6臺(tái)液壓支架在接收到護(hù)幫板控制命令后，控制液壓支架伸護(hù)幫板和伸縮梁，及時(shí)支護(hù)采空區(qū)。

（2）刮板輸送機(jī)機(jī)尾斜切進(jìn)刀如圖4所示。圖中采煤機(jī)從92號(hào)液壓支架運(yùn)行到112號(hào)液壓支架。為了能夠使采煤機(jī)順利進(jìn)刀，從98號(hào)到108號(hào)液壓支架應(yīng)進(jìn)行成組推鎦動(dòng)作，形成彎曲段，每一臺(tái)液壓支架的推鎦行程為（n-98）/10 m，其中n=98，99，…，108。采煤機(jī)運(yùn)行后方的8臺(tái)液壓支架“降架—移架—升架”動(dòng)作，采煤機(jī)運(yùn)行后方的12臺(tái)液壓支架執(zhí)行推鎦動(dòng)作。

（3）刮板輸送機(jī)機(jī)尾割三角煤示意圖如圖5所示。在割三角煤的過(guò)程中，控制系統(tǒng)并不發(fā)布任何命令，采煤機(jī)只需按照原有軌道向右運(yùn)行即可。

4 結(jié)論

（1）參考現(xiàn)有綜采工作面采煤工藝，提出自動(dòng)化采煤控制方案，實(shí)現(xiàn)壓支架和采煤機(jī)的自動(dòng)化控制，提高綜采工作面的自動(dòng)化程度和采煤效率。

（2）為保證自動(dòng)化采煤控制系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，提出雙閉環(huán)控制模式，支架控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液壓支架的狀態(tài)信息并將數(shù)據(jù)上傳至端頭控制器。端頭控制器在接收到集控計(jì)算機(jī)工藝命令后，將相應(yīng)控制命令下傳到特定編號(hào)的支架控制器。