采煤機(jī)智能化控制技術(shù)優(yōu)化

（山西焦煤集團(tuán)嵐縣正利煤業(yè)有限公司，山西 嵐縣 033500）

我國(guó)煤炭資源儲(chǔ)量豐富，年開采量多年位居世界第一。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，煤礦的智能化開采已經(jīng)成為了現(xiàn)階段的主流方向。采煤機(jī)作為礦井開采的重要機(jī)械設(shè)備，其智能化開采是煤礦智能化的關(guān)鍵。只有實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的智能化開采，才能實(shí)現(xiàn)綜采工作面的智能化。智能化開采對(duì)采煤機(jī)要求是可以隨著煤層的賦存條件及開采的狀態(tài)達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的。在采煤機(jī)智能開采的技術(shù)中，狀態(tài)感知及智能控制是其核心的技術(shù)。此前眾多學(xué)者對(duì)采煤機(jī)的智能化開采做出過(guò)一定的研究。劉文科[1]對(duì)采煤機(jī)的智能化控制系統(tǒng)做出一定的介紹，分析了采煤機(jī)智能化控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的功能，以此為基礎(chǔ)對(duì)采煤機(jī)的智能化控制進(jìn)行了研究。為實(shí)現(xiàn)綜采面智能化做出一定的貢獻(xiàn)。符如康[2]在結(jié)合前人的研究基礎(chǔ)上分析了采煤機(jī)的智能化感知及控制技術(shù)的核心問(wèn)題，給出了智能化感知及控制技術(shù)突破方向。同時(shí)引入實(shí)時(shí)三維的GIS導(dǎo)航技術(shù)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化研究。葛世榮[3]研究了采煤機(jī)的智能感知、控制、截割、可視化監(jiān)控等，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)無(wú)人操作及遠(yuǎn)程監(jiān)控。為建設(shè)智能化綜采工作面打下重要基礎(chǔ)。邱錦波[4]對(duì)比國(guó)內(nèi)采煤機(jī)的智能化技術(shù)和國(guó)外技術(shù)之間的差距，給出了采煤機(jī)的自動(dòng)化智能化發(fā)展的方向。為我國(guó)礦井智能化提供了一定的方向。本文在采煤機(jī)智能化的需求基礎(chǔ)上，對(duì)采煤機(jī)的智能化控制、智能化截割及智能化感知進(jìn)行了深層次的研究，實(shí)現(xiàn)了山西焦煤正利礦14-1106綜采工作面的無(wú)人化。

1 采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

山西焦煤集團(tuán)嵐縣正利煤業(yè)有限公司14-1106工作面所采用的采煤機(jī)為雞西MG300/730BWD型采煤機(jī)，其是通過(guò)KTC101Z型順槽控制臺(tái)來(lái)控制組合開關(guān)進(jìn)行上電和斷電控制，其它的控制通過(guò)本地控制或者采煤機(jī)專用遙控器控制，采煤機(jī)機(jī)身上有一個(gè)監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)，用于監(jiān)測(cè)采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和查詢信息。但不具備記憶截割、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和無(wú)線通訊等自動(dòng)化的要求，且采煤機(jī)定位精度不高，要實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自主割煤技術(shù)，需要對(duì)現(xiàn)有采煤機(jī)進(jìn)行智能控制改造。根據(jù)智能化工作面建設(shè)的實(shí)際需要，對(duì)采煤機(jī)主控系統(tǒng)進(jìn)行改造，使慣導(dǎo)系統(tǒng)、智能互感單元、溫度檢測(cè)單元、智能傳感器檢測(cè)單元及智能遙控接收器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線，傳輸至主控模塊，并通過(guò)機(jī)載無(wú)線WiFi將CAN總線數(shù)據(jù)及機(jī)載視頻數(shù)據(jù)傳輸至采煤機(jī)集控中心，經(jīng)集控中心采煤機(jī)記憶割煤軟件、視頻監(jiān)控系統(tǒng)與操作人員協(xié)調(diào)配合完成采煤機(jī)智能化控制，并實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)牽引速度智能控制和采煤機(jī)滾筒高度智能控制[5]。采煤機(jī)主控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸見圖1，慣導(dǎo)裝置及主要智能傳感器在采煤機(jī)上的位置分布見圖2。

圖1 采煤機(jī)主控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸

圖2 智能傳感器位置布置

圖1中采煤機(jī)主控系統(tǒng)進(jìn)行改造過(guò)程中所涉及的主要單元及模塊的功能如下：

慣導(dǎo)系統(tǒng)(INS)是一種不依賴于任何外部信息、也不向外部輻射能量的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，具有隱蔽性好，可在空中、地面、水下等各種復(fù)雜環(huán)境下工作的特點(diǎn)。它是一種無(wú)框架系統(tǒng)，由三個(gè)速率陀螺、三個(gè)線加速度計(jì)和微型計(jì)算機(jī)組成，通過(guò)測(cè)量采煤機(jī)在慣性參考系的加速度，將它對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，之后將其變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系，得到在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度、偏航角和位置信息等，從而實(shí)現(xiàn)井下煤礦采煤機(jī)的航向變化及姿態(tài)測(cè)量。在回采過(guò)程中，通過(guò)不斷的與初始航向角進(jìn)行比較，實(shí)時(shí)調(diào)整采煤機(jī)的運(yùn)行姿態(tài)，并配合液壓支架精細(xì)推拉管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)綜采工作面三直兩平的管理，同時(shí)防止刮板運(yùn)輸機(jī)發(fā)生大的竄頭竄尾現(xiàn)象[6]。

智能互感單元主要是用于檢測(cè)左右截割電機(jī)、左右牽引變壓器、油泵電機(jī)的三相電流，通過(guò)CAN總線送到主控模塊，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的短路、過(guò)載、超溫、缺相等保護(hù)。

溫度檢測(cè)模塊主要是用于檢測(cè)左右截割電機(jī)溫度、左右牽引電機(jī)溫度、牽引變壓器溫度、油泵電機(jī)溫度、左右牽引電機(jī)高速軸溫度，并將其傳輸至主控模塊，用于溫度顯示及保護(hù)。

智能傳感器模塊用于采集采煤機(jī)內(nèi)/外部開關(guān)量、模擬量及高速脈沖信號(hào)，通過(guò)CAN總線送至主控模塊，并接受集控中心輸出的指令，實(shí)現(xiàn)與之相接設(shè)備的控制，對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。例如慣導(dǎo)系統(tǒng)、振動(dòng)傳感器、傾角傳感器、D齒輪傳感器、油壓傳感器、油位傳感器、機(jī)載瓦檢儀等。

智能遙控接收器為無(wú)線遙控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)的滾筒升降、牽引啟停、系統(tǒng)急停、啟停油泵電機(jī)及啟停截割電機(jī)、顯示屏翻頁(yè)、參數(shù)設(shè)置、故障屏蔽等操作[7]。

2 采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)改造效果

通過(guò)對(duì)采煤機(jī)主控系統(tǒng)進(jìn)行改造后，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)記憶割煤。記憶截割有兩個(gè)過(guò)程，第一個(gè)過(guò)程先進(jìn)行學(xué)習(xí)方式，即由采煤機(jī)司機(jī)根據(jù)工作面煤層高低起伏條件，割示范刀，控制系統(tǒng)將采煤機(jī)截割過(guò)程的采煤機(jī)位置、姿態(tài)、滾筒位置、牽引方向，牽引速度、電流、運(yùn)行等信息存入計(jì)算機(jī)。第二個(gè)過(guò)程進(jìn)入記憶截割模式后，采煤機(jī)運(yùn)行動(dòng)作和指令再現(xiàn)示范模式存入的運(yùn)行信息，根據(jù)記憶的信息自動(dòng)調(diào)節(jié)采煤機(jī)割煤高度和運(yùn)行速度等。如煤層條件發(fā)生較大的變化，則由采煤機(jī)司機(jī)手動(dòng)操作割煤（作為采煤機(jī)位置程序的微調(diào)）并自動(dòng)記憶調(diào)整過(guò)的工作參數(shù)，作為以后采煤機(jī)切割時(shí)滾筒調(diào)高的參數(shù)。采煤機(jī)將在司機(jī)最小限度的干預(yù)下自動(dòng)運(yùn)行。記憶截割軟件模塊將液壓支架姿態(tài)、刮板運(yùn)輸機(jī)姿態(tài)、采煤機(jī)姿態(tài)、當(dāng)前工藝段區(qū)間設(shè)定值聯(lián)合運(yùn)算，將計(jì)算所得目標(biāo)值通過(guò)順槽終端下發(fā)到采煤機(jī)，配合視頻監(jiān)控及人工手動(dòng)干預(yù)手段，進(jìn)行采煤機(jī)滾筒高度、牽引速度、方向的智能調(diào)節(jié)控制。

3 效果分析及建議

經(jīng)多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，改造后的智能化采煤機(jī)系統(tǒng)將14-1106綜采工作面的工作人員由17人減少至8人，人工效率提高190.7%，單循環(huán)操作時(shí)間縮短62.96%，并可穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)牽引速度為3 m/s以下的采煤機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)和液壓支架的協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)及全自動(dòng)無(wú)人工干涉連續(xù)割4 刀煤的成績(jī)，但距離綜采工作面實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作還相距甚遠(yuǎn)。其主要原因是對(duì)未采煤層區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造不清楚，又沒有可以替代采煤機(jī)司機(jī)的人工智能對(duì)煤礦井下復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確研判。所以，智能化采煤的下一步方向就是研發(fā)一種技術(shù)，該技術(shù)能夠即時(shí)“看到”未開采煤層的斷層、富水層、頂板來(lái)壓等地質(zhì)情況，從而可以提前擬建采煤工作面的回采路徑，調(diào)整采煤裝備的姿態(tài)及回采速度，并部署最佳回采方案，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)可控、工作面無(wú)人的本質(zhì)安全的采煤方案。

4 結(jié)語(yǔ)

采煤機(jī)智能化控制技術(shù)研究的目的就是為了實(shí)現(xiàn)礦井智能化，礦井采煤機(jī)智能化控制技術(shù)是在礦山地質(zhì)條件透明化的前提下，應(yīng)用人工智能，實(shí)現(xiàn)井下綜采工作面的無(wú)人開采及煤機(jī)裝備的少人化檢修。通過(guò)對(duì)雞西MG300/730BWD型采煤機(jī)的主控系統(tǒng)進(jìn)行改造做到少人則安、無(wú)人則安，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)的智能化控制，并取得了一定的成績(jī)，具有借鑒和指導(dǎo)意義。