關(guān)于MG930-WD采煤機(jī)智能調(diào)控系統(tǒng)的研究

康 貴

（陽(yáng)泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司一礦，山西 陽(yáng)泉045000）

引言

近年來，隨著工程技術(shù)的不斷進(jìn)步，采煤機(jī)技術(shù)也得到了較好的發(fā)展，其功能越來越多，結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，采煤機(jī)也逐漸往智能控制方向發(fā)展。目前常用的采煤機(jī)交流式調(diào)速控制系統(tǒng)主要可以分為如下三種：交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)、變速器調(diào)速、變頻控制電機(jī)的調(diào)速等方法，其中對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制使用最為廣泛，可靠性也最好。

以MG930-WD型采煤機(jī)為研究對(duì)象，依據(jù)其在實(shí)際使用過程中的情況，并查閱了相關(guān)的技術(shù)資料，對(duì)采煤機(jī)技術(shù)參數(shù)做了簡(jiǎn)要說明。智能調(diào)速系統(tǒng)是指利用智能識(shí)別系統(tǒng)對(duì)采煤機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，并通過控制采煤機(jī)的電機(jī)以及截割臂舉升和行走部的前進(jìn)系統(tǒng)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行的智能控制。

1 MG930-WD型采煤機(jī)

目前國(guó)內(nèi)采煤機(jī)種類繁多，根據(jù)不同的使用條件，發(fā)展出來許多種型號(hào)。MG930-WD型采煤機(jī)是一種使用較為廣泛的采煤機(jī)，該型采煤機(jī)可靠性較好且經(jīng)濟(jì)性好，采用的是多點(diǎn)式橫向布置方式，機(jī)身可以分為多段。不同部件之間由電氣元件和液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制，采煤機(jī)的主要結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 采煤機(jī)的組成部件

該型采煤機(jī)使用了體積小、可靠性好的水冷系統(tǒng)，有效保障了采煤機(jī)的使用性能；適用采高1.80～3.80 m，煤層傾角≤50°，總裝機(jī)功率950 kW，機(jī)面的高度為1 635 mm，采煤機(jī)牽引速度為0～8.5～14.2 m/min；主機(jī)外形尺寸為14 400 mm×2 292 mm×1 535 mm；滾筒直徑為Φ1 800 mm、Φ2 000 mm；采煤機(jī)主機(jī)牽引力范圍為690～450 kN[2]。

2 智能控制方案介紹

為了有效地提高煤礦開采的工作效率，同時(shí)減輕人員的工作強(qiáng)度，需要對(duì)采煤機(jī)的作業(yè)過程進(jìn)行自動(dòng)化的控制。采煤機(jī)在作業(yè)過程中動(dòng)作并不復(fù)雜，主要包括行走部的前進(jìn)與后退，以及截割部的高度、方位的控制，因此要實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的智能控制就必須對(duì)采煤機(jī)電氣系統(tǒng)進(jìn)行整合，控制系統(tǒng)需根據(jù)采煤機(jī)狀態(tài)傳感器的信號(hào)，對(duì)采煤機(jī)動(dòng)作的控制作出判斷，可有效提高采煤機(jī)的工作效率，如圖2所示為智能控制系統(tǒng)方案流程示意圖，具體介紹如下：

圖2 控制流程示意圖

1）采煤機(jī)的控制建立在其運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)擬合出采煤機(jī)的工作曲線，并以此為依據(jù)對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行控制。

2）基于算法對(duì)采煤機(jī)的非線性數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將采煤機(jī)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)擬合成光滑的曲線作為運(yùn)行與跟蹤的目標(biāo)[3]。

3）控制系統(tǒng)主要控制采煤機(jī)截割部的高度、走行部的動(dòng)作；機(jī)載傳感器可記錄采煤機(jī)運(yùn)行的各項(xiàng)參數(shù)，包括姿態(tài)、電氣與液壓系統(tǒng)的信息。

4）機(jī)載控制器采集的采煤機(jī)姿態(tài)、狀態(tài)等信息包括采煤機(jī)機(jī)身傾斜角和滾筒的空間坐標(biāo)，以及各機(jī)械部件和電氣部件的運(yùn)行參數(shù)。

方案設(shè)計(jì)以智能控制為基礎(chǔ)，以人工控制為輔，兩者有機(jī)結(jié)合可達(dá)到對(duì)采煤機(jī)狀態(tài)的精準(zhǔn)控制。

3 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

為了保障采煤機(jī)在井下惡劣環(huán)境中的安全、平穩(wěn)運(yùn)行，將智能控制系統(tǒng)分為機(jī)載設(shè)備與計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。該智能控制系統(tǒng)按其結(jié)構(gòu)的分布情況，可以分為三層，如圖3所示，下面分別對(duì)各層系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)做簡(jiǎn)要介紹。

圖3 智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 機(jī)載監(jiān)控系統(tǒng)

采煤機(jī)機(jī)載監(jiān)控設(shè)備主要負(fù)責(zé)對(duì)采煤機(jī)各個(gè)動(dòng)作、狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)控，系統(tǒng)同時(shí)包括各項(xiàng)傳感器，負(fù)責(zé)采集采煤機(jī)信號(hào)，也可執(zhí)行一定的遠(yuǎn)程控制命令，比如報(bào)警、保護(hù)與閉鎖功能等。機(jī)載控制器作為采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)的核心部件，機(jī)載控制器可實(shí)現(xiàn)多樣化的功能，為了集成多樣化的控制功能，在此采用了較為簡(jiǎn)單的PLC控制器，硬件上采用OMRON-S400系列PLC，控制器具備數(shù)據(jù)處理、路徑優(yōu)化分析、狀態(tài)評(píng)價(jià)、故障預(yù)處理等功能[4]。

3.2 順槽監(jiān)控系統(tǒng)

順槽監(jiān)控系統(tǒng)作為機(jī)載監(jiān)控與地面遠(yuǎn)程控制中心之間的樞紐，可實(shí)現(xiàn)井下與地面的數(shù)據(jù)交互，順槽監(jiān)控系統(tǒng)主要以無限區(qū)域網(wǎng)為信息傳遞的基礎(chǔ)，操作者可以非常輕松地了解到采煤機(jī)的狀態(tài)。

3.3 地面監(jiān)控中心

地面監(jiān)控中心是控制系統(tǒng)的核心和控制終端，具備數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、控制命令的下達(dá)以及采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)等功能。系統(tǒng)的綜合管理平臺(tái)包括煤礦綜合開采面的視頻監(jiān)視平臺(tái)、工業(yè)無線網(wǎng)管理平臺(tái)、采煤機(jī)監(jiān)控調(diào)速控制器。

4 控制體系的構(gòu)建

在采煤機(jī)的實(shí)際使用過程中，絕大部分故障都是由于采煤機(jī)處于非正常運(yùn)行狀態(tài)下所受到的偏載荷、劇烈振動(dòng)、非正常疲勞損傷等造成的。因此為了提高采煤機(jī)的工作效率，需要設(shè)計(jì)一套智能控制系統(tǒng)，可以對(duì)采煤機(jī)的走行部的運(yùn)動(dòng)、截割部的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)可自主判斷、分析、決策等操作，智能控制系統(tǒng)可根據(jù)煤層的特征進(jìn)行自主化調(diào)整，以確保采煤機(jī)的開采效率[5]。

圖4所示為智能調(diào)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，根據(jù)前文的分析可知，智能控制系統(tǒng)的控制對(duì)象還是走行部的牽引速度以及截割部的舉升高度。采煤機(jī)的舉升高度是基于對(duì)煤層以及截割路徑的判斷，模式識(shí)別算法需對(duì)采煤機(jī)狀態(tài)進(jìn)行判斷，若采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)異常，智能控制系統(tǒng)即可發(fā)出控制命令，對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行控制[6]。

5 控制效果的仿真實(shí)例

以某煤礦廠工作面的數(shù)據(jù)庫(kù)中抽取1 000組數(shù)據(jù)作為控制系統(tǒng)的樣本組數(shù)據(jù)，對(duì)控制系統(tǒng)中算法進(jìn)行訓(xùn)練。采煤機(jī)的走行部速度的控制關(guān)系到煤礦綜采面的液壓支架、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)之間的工作協(xié)調(diào)性。根據(jù)控制目標(biāo)的需要，選擇了以采煤機(jī)走行部運(yùn)行速度的控制為例進(jìn)行分析。走行部的速控指標(biāo)包括采煤機(jī)的牽引電機(jī)、刮板輸送機(jī)電流以及刮板輸送機(jī)機(jī)頭電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

圖4 智能調(diào)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法，最優(yōu)迭代次數(shù)設(shè)置為200次；分析權(quán)重最大值與最小值分別為0.8、0.3，迭代誤差設(shè)置為0.000 1。算法訓(xùn)練結(jié)束以后，利用測(cè)試樣本對(duì)訓(xùn)練好的采煤機(jī)智能調(diào)控系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。根據(jù)測(cè)試分析結(jié)果，樣本數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果TRE值與DCE值分別為0.002 55和0.021 4，根據(jù)圖5的計(jì)算結(jié)果可知算法網(wǎng)絡(luò)的輸出值與走行部牽引速度的施加值耦合性較好，反映了系統(tǒng)算法具有很好的預(yù)測(cè)與控制能力。測(cè)試樣本的平均誤差值為3.01%，小于5%的允許值，因此具有較高的控制精度和可靠性。

6 結(jié)論

為了提高采煤機(jī)的工作效率，同時(shí)提升其作業(yè)可靠性，就需要構(gòu)建一套采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)。以某煤礦廠采煤機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)為樣本，對(duì)走行部速度控制算法進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示各組平均誤差為3.01%，說明該采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)具有較好的可靠性以及控制精度。

圖5 控制系統(tǒng)輸出和實(shí)際輸出對(duì)比