基于透明綜采工作面采煤機(jī)自動(dòng)截割系統(tǒng)的研發(fā)

韓繼來(lái)

摘 要： 目前，我國(guó)大多數(shù)煤礦所使用的采煤機(jī)自動(dòng)化程度較低，無(wú)法完成自適應(yīng)的截割作業(yè)要求，只能在綜采面安排專(zhuān)人采用人工觀察的方法控制采煤機(jī)的截割作業(yè)，由于綜采面工作環(huán)境極端惡劣、噪聲大、粉塵度高，操作人員很難通過(guò)“眼觀耳聽(tīng)”的方法來(lái)判斷采煤機(jī)的截割滾筒是否觸及到巷道的頂板或者地板，滾筒調(diào)節(jié)滯后陛差。而作為綜采面的核心關(guān)鍵設(shè)備，采煤機(jī)的自動(dòng)化截割是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架三機(jī)聯(lián)合自動(dòng)控制的必要條件。

關(guān)鍵詞： 透明綜采;工作面;采煤機(jī);自動(dòng)截割;系統(tǒng)研發(fā)

【中圖分類(lèi)號(hào)】TD421.6 ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A ? ? 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.26.190

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采煤機(jī)運(yùn)行時(shí)，在刮板輸送機(jī)提供軌道上沿工作面往復(fù)行駛，采煤機(jī)截割滾筒隨著采煤機(jī)行走位置的變化，不斷將煤從煤層中分離出來(lái)，落入刮板輸送機(jī)中并運(yùn)出綜采工作面，基于往復(fù)行駛而提出的記憶截割控制策略已經(jīng)用到實(shí)際采煤生產(chǎn)中，現(xiàn)場(chǎng)反饋使用良好.根據(jù)煤層起伏改變調(diào)節(jié)采煤機(jī)滾筒高度，適應(yīng)不同的煤層采高。綜采工作面集控中心布置于綜采工作面附近的控制室內(nèi)，通過(guò)以太網(wǎng)、CAN總線網(wǎng)絡(luò)與綜采工作面設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，完成設(shè)備之間的信息交換。以太網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸攝像頭采集的實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)，并在顯示屏上播放實(shí)時(shí)呈現(xiàn)工作面圖像信息，同時(shí)也傳輸控制信號(hào)、狀態(tài)信號(hào)等;CAN總線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸設(shè)備狀態(tài)信息、控制命令。其中沿工作面攝像頭和采煤機(jī)攝像頭拍攝共同拍攝采煤機(jī)周?chē)h(huán)境以及采煤機(jī)機(jī)身視頻，實(shí)現(xiàn)工作面視頻圖像重現(xiàn)，用人的眼睛彌補(bǔ)目前無(wú)法用傳感器探測(cè)的數(shù)據(jù);采煤機(jī)數(shù)據(jù)包括采煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的參數(shù)信息、系統(tǒng)信息、狀態(tài)信息以及控制命令;其它數(shù)據(jù)主要包括與采煤機(jī)作業(yè)時(shí)相關(guān)的環(huán)境信息，如刮板輸送機(jī)狀態(tài)、附近液壓支架狀態(tài)、刮板機(jī)鏈條張緊狀態(tài)等。

2 采煤機(jī)自適應(yīng)截割系統(tǒng)構(gòu)成

在綜采面進(jìn)行調(diào)高、牽引及推溜的過(guò)程中，推溜作業(yè)是在采煤機(jī)截割作業(yè)之前，采煤機(jī)的滾筒高度的調(diào)整及牽引作業(yè)是和采煤機(jī)的截割作業(yè)同時(shí)進(jìn)行的。因此可以說(shuō)采煤機(jī)的滾筒高度調(diào)整及牽引作業(yè)是采煤機(jī)在井下巷道內(nèi)工作時(shí)的最核心動(dòng)作，采煤機(jī)滾筒高度的調(diào)整是在采煤機(jī)調(diào)高油缸的控制下進(jìn)行的，采煤機(jī)的牽引調(diào)速則是對(duì)應(yīng)于采煤機(jī)牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。采煤機(jī)要實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)截割，基本的一點(diǎn)要求就是采煤機(jī)在工作過(guò)程中當(dāng)截齒切割到巷道的巖壁后能夠自動(dòng)對(duì)搖臂的伸出高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，避免長(zhǎng)時(shí)間切割巖石造成電機(jī)的堵轉(zhuǎn)、發(fā)熱、斷齒等。而隨著科技和應(yīng)用材料技術(shù)的發(fā)展及大功率驅(qū)動(dòng)電機(jī)的廣泛應(yīng)用，目前大部分采煤機(jī)的截齒一般均可對(duì)巖壁進(jìn)行截割作業(yè)。

采煤機(jī)運(yùn)行時(shí)，其PLC控制系統(tǒng)首先會(huì)檢測(cè)其所處的控制模式，如果是在手動(dòng)控制模式下，則由采煤機(jī)的控制人員手動(dòng)控制采煤機(jī)的運(yùn)行，此時(shí)采煤機(jī)自動(dòng)對(duì)路徑進(jìn)行跟蹤記憶;若在自動(dòng)控制模式下，則采煤機(jī)自動(dòng)讀取路徑跟蹤數(shù)據(jù)，在路徑跟蹤模式下自動(dòng)控制運(yùn)行，此時(shí)若采煤機(jī)截齒處所承受的截割負(fù)載出現(xiàn)異常，則控制系統(tǒng)根據(jù)所受到的截割負(fù)載的大小，自動(dòng)判斷是降速截割還是進(jìn)入自適應(yīng)控制模型，根據(jù)設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀況進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。

該系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制的依據(jù)是采煤機(jī)在路徑跟蹤模式下，調(diào)節(jié)煤壁作用在采煤機(jī)截齒上的截割負(fù)載的大小，系統(tǒng)的調(diào)整對(duì)象則是采煤機(jī)的牽引速度和截割滾筒的工作高度。在截割滾筒進(jìn)行截割作業(yè)時(shí)，若其截割到巖壁則會(huì)造成截割電機(jī)的電流、溫度迅速增加并超出系統(tǒng)設(shè)定的警戒點(diǎn)。根據(jù)試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)表明，采煤機(jī)的截割負(fù)載和其截割電機(jī)的輸入電流之間有著一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在利用實(shí)際測(cè)定的數(shù)值建立了截割電流和截割負(fù)載之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系后，就可以根據(jù)電流傳感器監(jiān)測(cè)到的輸入電流的大小自動(dòng)計(jì)算出作用于截齒上的負(fù)載的大小，當(dāng)其負(fù)載值超過(guò)警戒設(shè)定值后，就可以判斷截齒已經(jīng)接觸到了巖壁，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)先降低采煤機(jī)的牽引速度，若在設(shè)定的時(shí)間范圍內(nèi)截割電流能夠恢復(fù)到正常范圍，則系統(tǒng)會(huì)控制直接降速切割，如果超出設(shè)定時(shí)間后截割電流依舊處于高位，則系統(tǒng)會(huì)控制調(diào)整截割滾筒的高度。調(diào)整后若采煤機(jī)的負(fù)載依舊無(wú)法恢復(fù)則系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警，請(qǐng)求人工進(jìn)行判定調(diào)整，從而確保自適應(yīng)調(diào)整的可靠性和穩(wěn)定性。

3 自動(dòng)截割控制過(guò)程分析

采煤機(jī)自動(dòng)截割系統(tǒng)中，采煤機(jī)的實(shí)時(shí)位置以及采煤機(jī)的采高是極其重要的參數(shù)，需要對(duì)上述兩個(gè)參數(shù)的準(zhǔn)確位置做實(shí)時(shí)定位。在刮板運(yùn)輸機(jī)上行駛的采煤機(jī)，其行駛路徑是剛性連接，軌道上各個(gè)點(diǎn)沿工作面方向與煤壁相對(duì)位置幾乎不變，采用絕對(duì)值編碼器測(cè)量采煤機(jī)位置變化，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)實(shí)時(shí)位置定位。采用位移傳感器測(cè)量調(diào)高油缸伸縮量，結(jié)合采煤機(jī)的側(cè)傾角和換算出滾筒高度，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的采高定位。位移傳感器安裝于油缸缸體內(nèi)部，避免外力損傷傳感器，采煤機(jī)的傾角傳感器安裝在電氣控制箱內(nèi)。

記憶截割：記憶截割的原理就是采煤機(jī)的第i+1次采煤過(guò)程是以第i次存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，復(fù)現(xiàn)與第i次采煤過(guò)程相似的采煤作業(yè)，第i次存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可以是人工示教階段存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，也可以是上一次自動(dòng)截割存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。

第i+1次數(shù)據(jù)和第i次數(shù)據(jù)的關(guān)系，根據(jù)煤層變化情況，分為不調(diào)整和調(diào)整兩種不同情況，不調(diào)整時(shí)關(guān)系式為（A+，=Ai，Bi+。=B，，Ci_，=C。，D，+。=D?！{(diào)整時(shí)關(guān)系式為（Ai+。=T。+A，B。_1=Tb+B。，Ci+1=T。+Ci，D。+1=Td+D?！渲蠺。、Tb、Tc和Td等為調(diào)整值），調(diào)整值是采煤機(jī)機(jī)載控制器根據(jù)煤層變化情況做出自適應(yīng)調(diào)整，當(dāng)煤層變化過(guò)大時(shí)需要，可能需要重復(fù)人工示教階段，重新記錄第i次數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)。采煤機(jī)根據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間進(jìn)行路徑跟隨時(shí)，機(jī)載控制器時(shí)刻監(jiān)視采煤機(jī)狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)會(huì)自行調(diào)整，調(diào)整后的數(shù)據(jù)需要檢驗(yàn)其合法性，如果有數(shù)據(jù)異常隋況發(fā)生，需要進(jìn)行人工干預(yù)修正。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，采煤機(jī)作為綜采工作面的主要設(shè)備，其運(yùn)行狀況直接影響礦井生產(chǎn)力，使用自動(dòng)截割技術(shù)，有效提高采煤機(jī)的工作效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，但采煤機(jī)司機(jī)一直處于綜采工作面l引入遠(yuǎn)程干預(yù)技術(shù)，采煤機(jī)司機(jī)不需要長(zhǎng)時(shí)間處于綜采工作面，改善工作環(huán)境。本文提出的自動(dòng)截割技術(shù)和遠(yuǎn)程干預(yù)技術(shù)相結(jié)合的方式，符合工作面少人化、無(wú)人化的趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

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