超大采高采煤機智能診斷電氣控制系統(tǒng)研究

索智文，趙亦輝，周 展

(1.國家能源集團神東煤炭集團有限責(zé)任公司 高端設(shè)備研發(fā)中心，陜西 神木 719315；2.西安煤礦機械有限公司，陜西 西安 710000)

在我國的能源結(jié)構(gòu)中，煤炭一直占據(jù)主要主導(dǎo)地位。2018年煤炭行業(yè)發(fā)展年度報告指出，煤炭產(chǎn)量與消費量同我國一次性能源生產(chǎn)和消費量的占比首次下降至69.1%和59.0%，但基于我國富煤、貧油、少氣的能源現(xiàn)狀，煤炭仍將長期是我國的基礎(chǔ)能源[1]。盡管我國煤炭儲量巨大，但煤炭作為不可再生能源，煤炭的開采仍需遵循安全綠色開采、高效清潔利用的原則。神東煤炭集團所處的神府煤田被稱為“煤?！?，區(qū)域煤田儲量巨大、賦儲條件好。所屬上灣煤礦井田構(gòu)造形態(tài)簡單，可采煤高8.8m左右。過去的觀念是“有什么設(shè)備干什么活”，然而國內(nèi)外現(xiàn)階段尚沒有能夠滿足一次采高8.8m的成套開采設(shè)備，為提升回采率、避免資源浪費，需進(jìn)行全新開發(fā)，改變觀念為“有什么工況做什么設(shè)備”。

神東煤炭集團積極響應(yīng)國家發(fā)改委、工信部和能源局聯(lián)合發(fā)布的《中國制造2025—能源裝備實施方案》，大力發(fā)展綠色智能采掘洗選裝備，在積極推進(jìn)“機械化換人，自動化減人”基礎(chǔ)上，發(fā)展以“智能”為核心的發(fā)展戰(zhàn)略[2]，推動礦井智能化建設(shè)，提高利用效率，促進(jìn)安全生產(chǎn)。

當(dāng)前，國內(nèi)外在厚煤層及特厚煤層的綜采面智能化開采進(jìn)展緩慢，其中，制約超大采高采煤機智能化發(fā)展的主要因素包括超大采高采煤機整機穩(wěn)定性及機身聯(lián)接剛性問題，關(guān)鍵零部件高性能新材料的開發(fā)及其工藝攻關(guān)，在強沖擊、強干擾等復(fù)雜環(huán)境下工業(yè)計算機在采煤機電控系統(tǒng)可靠運行，以及行走位置控制、滾筒采高控制、與配套設(shè)備協(xié)同控制等方面[3]。針對電氣系統(tǒng)所涉及到的核心問題包括煤巖識別、動態(tài)定位、遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能感知、故障診斷。近年來，隨著計算機技術(shù)、通訊技術(shù)、傳感器技術(shù)等的大力發(fā)展，極大的促進(jìn)了采煤機電控系統(tǒng)智能化的突破。詳細(xì)闡述并分析了超大采高采煤機電氣控制系統(tǒng)以及在智能化方面的研究。

1 厚煤層采煤機的應(yīng)用實踐

紅柳林煤礦5-2號煤層厚度6.62～7.71m，平均厚度6.99m。2006年，首次進(jìn)行了7m超大采高開采工藝與裝備的可行性研究，該工作面一次采全高開采，采用超大采高工作面自動化控制系統(tǒng)，通過優(yōu)化采煤機截割工藝參數(shù)，大幅降低了工作面作業(yè)人員數(shù)量[4]。大同煤礦集團塔山礦特厚煤層智能化綜放開采實踐，塔山煤礦開采3-5號煤層煤層平均厚度15.72m，在采煤機的左右滾筒安裝截割高度傳感器，對采煤機截割高度進(jìn)行智能監(jiān)控，通過優(yōu)化采煤機記憶截割工藝實現(xiàn)了采煤機的智能記憶截割[5]。黃陵二號煤礦大采高智能化開采實踐，黃陵二號煤礦416工作面煤層厚度為5.1～7m，平均厚度為6m，通過研發(fā)基于瓦斯?jié)舛鹊牟擅簷C聯(lián)動控制技術(shù)，實現(xiàn)了根據(jù)瓦斯?jié)舛戎悄芨兄墓ぷ髅姘踩A(yù)警[6]。綜上述，現(xiàn)階段，針對特厚煤層的煤機裝備，已有諸多應(yīng)用先例，但采煤機電氣系統(tǒng)的智能化程度仍然不高。

2 超大采高采煤機電氣控制系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 電控系統(tǒng)架構(gòu)

超大采高采煤機電氣控制系統(tǒng)采用基于Runtime系統(tǒng)的貝加萊工業(yè)控制計算機作為主控制器，根據(jù)各子系統(tǒng)控制要求與控制方式的不同采用不同功能的遠(yuǎn)程IO模塊劃分構(gòu)建整個電控系統(tǒng)的各子系統(tǒng)硬件鏈路；采用CAN總線協(xié)議為各數(shù)據(jù)鏈的規(guī)范協(xié)議，規(guī)范各子系統(tǒng)之間的傳輸語言，通過上述方法建立起多條獨立的數(shù)據(jù)鏈路。利用主控制器將所有數(shù)據(jù)鏈聯(lián)系起來，構(gòu)建基于數(shù)據(jù)鏈的采煤機數(shù)據(jù)電傳控制系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)鏈傳輸是指主控制器通過總線接收發(fā)送采煤機控制系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的通訊數(shù)據(jù)，將各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集，通過內(nèi)部軟件根據(jù)數(shù)據(jù)優(yōu)先等級分時處理，將控制數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)以不同傳輸速率分別進(jìn)行傳輸，使總線能夠達(dá)到最大利用率，使數(shù)據(jù)傳輸能夠最大化滿足系統(tǒng)需求，具有快速、準(zhǔn)確的特點。

該系統(tǒng)主要分為4條數(shù)據(jù)鏈，分別負(fù)責(zé)不同的功能，Link1負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)上傳與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互，使采煤機運行數(shù)據(jù)可以實時傳輸至順槽集控中心，通過井下工作環(huán)網(wǎng)傳輸至地面，并且可以通過上位機將控制指令下發(fā)給采煤機，從而實現(xiàn)對采煤機的遠(yuǎn)程控制；Link2負(fù)責(zé)采煤機外圍數(shù)據(jù)采集單元數(shù)據(jù)匯集，即將采煤機上諸多傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，如水路系統(tǒng)各流量壓力傳感器、油路系統(tǒng)各溫度油位油溫傳感器、振動傳感器、位移傳感器等等；Link3負(fù)責(zé)采煤機所有電機管理單元數(shù)據(jù)匯集交互，將采煤機電控系統(tǒng)內(nèi)負(fù)責(zé)各主回路電機控制的電機管理單元監(jiān)測數(shù)據(jù)采集傳輸給主控制器；Link4負(fù)責(zé)采煤機內(nèi)部控制單元數(shù)據(jù)匯集交互，如變頻調(diào)速系統(tǒng)、電源管理系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)等。每條數(shù)據(jù)鏈相互獨立，采用硬件進(jìn)行總線隔離，不會產(chǎn)生數(shù)據(jù)鏈間互相影響的情況。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 采煤機電控系統(tǒng)架構(gòu)

超大采高智能化采煤機采用基于數(shù)據(jù)鏈的電傳系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點：

1)系統(tǒng)中各數(shù)據(jù)鏈路內(nèi)部單元模塊有各自特定的單元地址，主控制器可以通過識別各數(shù)據(jù)鏈路通訊總線上的子單元地址，查詢并診斷該子系統(tǒng)各單元模塊是否正常運行，如果不正常，主控制器會將發(fā)生異常的單元模塊的實際狀態(tài)通過人機界面做出明確提示，工作人員根據(jù)人機界面上提示的信息，可以及時的進(jìn)行問題排查，將存在異常的模塊恢復(fù)正常。

2)各子系統(tǒng)單元模塊將自身的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)往所在數(shù)據(jù)鏈，由主控制器提取數(shù)據(jù)鏈上的數(shù)據(jù)信息，并經(jīng)過數(shù)據(jù)分析融合判斷后，將處理數(shù)據(jù)發(fā)往與之相關(guān)聯(lián)的其它數(shù)據(jù)鏈的子單元模塊。

3)各數(shù)據(jù)鏈單元根據(jù)控制要求定義自身特定的通訊時間間隔，最大限度避免某個子單元長時間占用數(shù)據(jù)鏈資源，提高數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)傳輸實時性、高效性。

4)各數(shù)據(jù)鏈之間存在多處電氣隔離，如果一條數(shù)據(jù)鏈出現(xiàn)問題，不會影響其它數(shù)據(jù)鏈的正常工作。

5)各數(shù)據(jù)鏈根據(jù)功能要求的不同，設(shè)置的傳輸速率不同。要求實時性高的IO控制，則傳輸速率稍高；數(shù)據(jù)上傳與遠(yuǎn)程控制考慮到傳輸距離與抗電磁環(huán)境問題，則傳輸速率稍微低些。在本系統(tǒng)中，Link1、Link2、Link3為同一傳輸速率且高于Link4數(shù)據(jù)鏈的傳輸速率。

6)系統(tǒng)中主控制器與各數(shù)據(jù)鏈間采用CAN總線協(xié)議作為通訊協(xié)議，具有較強的抗干擾能力，實時性高，數(shù)據(jù)丟包率低。

7)采用數(shù)字電傳方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，效率高、準(zhǔn)確性好，保證控制系統(tǒng)可靠性。

8)系統(tǒng)內(nèi)各數(shù)據(jù)鏈中的模塊單元分布式布置，根據(jù)功能要求及信號形式定點安裝，優(yōu)化系統(tǒng)布局，減少接線冗余，提高模塊運行質(zhì)量，降低干擾。

9)系統(tǒng)中主要元器件輸出信號多為數(shù)字信號，便于數(shù)據(jù)傳輸與處理，提高系統(tǒng)數(shù)字化程度。

2.2 電控箱結(jié)構(gòu)

智能化超大采高采煤機適用于8.8m特厚煤層開采。其最大采高滿足平均采高8.8m需求。具有高可靠性，整機及主要大部件大修周期達(dá)到過煤量1000萬t。且工作牽引速度滿足生產(chǎn)能力6000t/h的需求。電控箱需滿足一體式結(jié)構(gòu)，高、低壓分腔布置，強弱電分離走線，避免高壓干擾。根據(jù)神東煤炭集團上灣煤礦來壓前后牽引速度與牽引電流得知，牽引負(fù)載電流長期在額定電流的80%，為滿足散熱降溫要求，優(yōu)化水道設(shè)計。其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，左腔為高壓控制腔，布置有牽引變壓器、控制變壓器、風(fēng)扇、隔離開關(guān)、高壓保險等；中間腔為變頻控制腔，布置有主從變頻器、電抗器、熔斷器、接觸器組件等；右腔為系統(tǒng)控制腔，布置有慣導(dǎo)單元、絕緣監(jiān)測單元、控制組件、電源組件等。

圖2 采煤機電控箱結(jié)構(gòu)

3 超大采高采煤機智能化關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 自適應(yīng)控制

為滿足采煤機在工作面的智能化功能，在此煤機上開發(fā)了以記憶截割為控制策略的智能采煤機自適應(yīng)系統(tǒng)。采煤機自適應(yīng)傳感器配置如圖3所示，為該系統(tǒng)配置的相應(yīng)傳感器。搖臂采高監(jiān)測通過智能油缸實現(xiàn)，在油缸內(nèi)安裝位移傳感器，通過的油缸的伸縮量來反應(yīng)搖臂的采高變化；配置采煤機傾角、俯仰角傳感器，實時監(jiān)測采煤機在工作面運行過程中沿行走方向的俯仰角度變化和沿老塘側(cè)方向的傾斜角度變化；在牽引部配置編碼器傳感器，用于采煤機行走位置的實時定位。

圖3 采煤機自適應(yīng)傳感器配置

電氣控制系統(tǒng)主控器搭載記憶截割軟件。在實際運行過程中，煤機司機控制采煤機割煤，記憶截割軟件學(xué)習(xí)了一刀工作面信息后，系統(tǒng)按照示范刀所記錄的工作參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)、滾筒高度軌跡，進(jìn)行智能化運算，形成記憶截割模板，在自適應(yīng)記憶截割過程中不斷修正誤差，實現(xiàn)自動調(diào)高、臥底、加速和減速等功能超大采高采煤機自適應(yīng)記憶截割功能的實現(xiàn)以位置監(jiān)測、姿態(tài)監(jiān)測為基礎(chǔ)，構(gòu)建實時采煤機修正模型，劃分割煤工藝為“22象限”步序，輔助機載視頻系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)場割煤工藝自動截割。

3.2 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

慣性導(dǎo)航技術(shù)簡稱慣導(dǎo)技術(shù)，在航空航天領(lǐng)域普遍應(yīng)用。它是一種不依賴外部信息，也不向外輻射能量的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)[7]。超大采高采煤機研發(fā)基于捷聯(lián)慣導(dǎo)開發(fā)，以采煤機為核心的，長壁工作面三維導(dǎo)航智能化控制慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)如圖4所示，該系統(tǒng)由LASC LITE、EIP模塊、光電轉(zhuǎn)化模塊、交換機以及12V供電電源構(gòu)成，并安裝在采煤機外部箱體。慣導(dǎo)技術(shù)能提供位置、速度及姿態(tài)角數(shù)據(jù)，將其應(yīng)用于采煤機中，結(jié)合煤層GIS地理信息和三維虛擬現(xiàn)實截割模型進(jìn)行智能化處理，實現(xiàn)頂?shù)装蹇刂?、煤層走向控制和工作面對齊控制。基于捷聯(lián)慣導(dǎo)開發(fā)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，其三維自主精確定位位置精度25mm，采高精度10mm，三維誤差0.01°；工作面三直兩平矯準(zhǔn)控制，測控精度9cm；可以滿足實際工況下的生產(chǎn)需求。

圖4 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)圖

3.3 在線監(jiān)測及智能診斷

為減少非計劃停機停產(chǎn)故障，在停機后盡量縮短故障診斷與處理時間，需要發(fā)展設(shè)備的故障診斷與早期智能診斷技術(shù)[8-13]。國內(nèi)外先進(jìn)采煤機均已實現(xiàn)控制系統(tǒng)自身控制模塊、通信連接及多數(shù)傳感器異常故障的在線監(jiān)測與人性化的故障查找處理提示。

超大采高采煤機搭載豐富的傳感元器件，包括振動在線監(jiān)測、油溫油位在線監(jiān)測、電機電流、溫度實時在線監(jiān)測、流量在線監(jiān)測、油品質(zhì)實時在線監(jiān)測等多種傳感器，監(jiān)測完善，保護豐富。振動故障檢測系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 振動故障檢測系統(tǒng)示意圖

選擇合理的振動測點，通過礦用本安型振動加速度傳感器獲取振動信號，并將采集到的振動信號轉(zhuǎn)化為4～20mA電流信號，礦用本安型振動監(jiān)測儀對電流信號進(jìn)行采集處理，通過故障頻率計算、故障特征提取、故障部位與嚴(yán)重程度智能診斷等，對振動信號進(jìn)行分析診斷，實現(xiàn)采煤機運行狀態(tài)的實時診斷。并將診斷結(jié)果和報警后的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)或者RS485發(fā)送到集控中心進(jìn)行顯示與上傳。

通過采集各部分電機的電流及溫度，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，與設(shè)置的閾值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果，對采煤機進(jìn)行相應(yīng)的動作處理。例如當(dāng)電機溫度高于135℃，同時小于150℃時，采煤機處于溫度報警狀態(tài)。當(dāng)電機溫度高于150℃時，采煤機電機停止工作。通過對電流數(shù)據(jù)的分析，可實現(xiàn)對采煤機的恒功率自動控制及重載反牽控制。

油溫、油位對液壓系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行起到了重要的作用。通過對液壓系統(tǒng)油溫油位的檢測及分析，可對系統(tǒng)是否漏油、密封性是否良好等起到預(yù)判作用。通過油品質(zhì)的檢測，可分析出采煤機部分機械的磨損情況等。

4 結(jié) 語

經(jīng)過歷次技術(shù)迭代，采煤機從機械化，到自動化，再到智能化已經(jīng)有了長足發(fā)展。但在特厚煤層的智能化煤機裝備領(lǐng)域仍然較為滯后。8.8m超大采高采煤機應(yīng)用實踐，為適應(yīng)特厚煤層的超大煤機裝備發(fā)展具有突破性意義。超大采高采煤機，尤其在電控系統(tǒng)的智能化應(yīng)用中，集自適應(yīng)控制、慣性導(dǎo)航控制和在線監(jiān)測故障診斷方面取得較大突破。但在煤巖識別、多傳感器融合、人工智能的健康狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)知等方面仍需大力發(fā)展。通過在這些關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的不斷探索積累，最終實現(xiàn)超大采高采煤機向更高智能化采煤機質(zhì)的跨躍。