采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡的精準(zhǔn)跟蹤控制

李亞光

（西山煤電屯蘭礦，山西 古交 030206）

引言

采煤機(jī)為綜采工作面的生產(chǎn)設(shè)備，其性能直接決定截割能力。目前，大多數(shù)煤礦均基于人工控制方式對(duì)采煤機(jī)滾筒進(jìn)行調(diào)高，使其能夠適應(yīng)煤層的變化。但是，在實(shí)際操作中由于現(xiàn)場(chǎng)能見(jiàn)度低且噪聲較大，導(dǎo)致作業(yè)人員無(wú)法精準(zhǔn)、及時(shí)判斷出采煤機(jī)的截割狀態(tài)，繼而無(wú)法對(duì)滾筒截割高度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，從而導(dǎo)致設(shè)備壽命減少、振動(dòng)劇烈以及火災(zāi)等事故的發(fā)生[1]。因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡的精確、實(shí)時(shí)控制是十分有必要的。

目前，就采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡精準(zhǔn)控制可通過(guò)煤炭自動(dòng)識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)。但是，鑒于我國(guó)煤層、巖層條件復(fù)雜導(dǎo)致基于煤炭自動(dòng)識(shí)別技術(shù)對(duì)滾筒提高控制的適用性較差。本文將基于軌跡跟蹤及時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)滾筒進(jìn)行跟蹤控制。

1 軌跡跟蹤原理研究

對(duì)于采煤機(jī)軌跡控制而言，其主要包括有對(duì)采煤機(jī)行走軌跡速度和滾筒截割高度的控制。其中，對(duì)于采煤機(jī)行走速度的控制既不能夠影響其采煤效率，也不能夠過(guò)快導(dǎo)致滾筒高度來(lái)不及調(diào)整；對(duì)于滾筒截割高度而言，其為采煤機(jī)軌跡控制的關(guān)鍵，要求控制系統(tǒng)能夠根據(jù)煤層厚度的變化對(duì)截割高度進(jìn)行實(shí)時(shí)精準(zhǔn)控制[2]。本文研究的實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒的軌跡跟蹤控制指的是，要求采煤機(jī)滾筒能夠按照其上一次截割狀態(tài)對(duì)滾筒截割高度進(jìn)行控制。采煤機(jī)軌跡跟蹤原理如圖1所示。

圖1 采煤機(jī)跟蹤控制原理圖

首先，由采煤機(jī)操作人員結(jié)合對(duì)煤層巖層探測(cè)結(jié)果和多年的操作經(jīng)驗(yàn)對(duì)煤層進(jìn)行第一刀截割，期間采煤機(jī)安裝的各類傳感器對(duì)采煤機(jī)工藝參數(shù)進(jìn)行記錄，包括截割方向、截割速度等。然后，采煤機(jī)在第二刀截割時(shí)完全按照第一刀的軌跡對(duì)煤層進(jìn)行截割。當(dāng)工作面煤層、巖層條件變化較大時(shí)，需對(duì)第一刀的截割參數(shù)進(jìn)行人工干預(yù)修正，以確保下一刀生產(chǎn)的安全性。

1.1 采樣周期的確定

對(duì)采煤機(jī)滾筒的軌跡跟蹤控制要求對(duì)第一刀采煤工藝的各項(xiàng)參數(shù)能夠精確掌握，也就是說(shuō)采樣周期的確定將直接影響獲取第一刀采煤工藝參數(shù)的全面和準(zhǔn)確性。一般地，采樣周期的確定需結(jié)合液壓支架的移架要求、工作面頂板的落差以及采煤機(jī)自身調(diào)高能力綜合確定[3]。本文所研究工作面的走向長(zhǎng)度為200 mm，工作面頂板的單位波動(dòng)距離為1.5 m，綜合考慮上述三項(xiàng)因素，確定采樣周期應(yīng)取在1.5～6.0 m之間為最佳。

1.2 進(jìn)刀方式的確定

目前，采煤機(jī)可選擇的進(jìn)刀方式包括有端部斜切進(jìn)刀、中部斜切進(jìn)刀和正切進(jìn)刀。其中，基于端部斜切進(jìn)刀需對(duì)三角煤進(jìn)行往復(fù)運(yùn)行進(jìn)行截割；而中部斜切進(jìn)刀雖然能夠簡(jiǎn)化進(jìn)刀工序，提高了采煤機(jī)裝煤效率，但該進(jìn)刀方式需往返一次進(jìn)刀；正切進(jìn)刀與端部斜切進(jìn)刀相比，不需多次往復(fù)對(duì)三角煤進(jìn)行處理，而且其截割工作從工作面的一端到另一端貫穿完成，期間不需對(duì)采煤機(jī)截割方向進(jìn)行改變。

因此，鑒于軌跡跟蹤控制對(duì)所采集數(shù)據(jù)的順序性要求較高，其對(duì)應(yīng)的最佳進(jìn)刀方式為正切進(jìn)刀。

2 運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文以MG160/360-BWD采煤機(jī)為研究對(duì)象，該采煤機(jī)可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和遙控控制，但其要遙控控制距離僅為10 m，與工作面的無(wú)人化作業(yè)功能的實(shí)現(xiàn)相差較遠(yuǎn)。因此，為能夠?qū)崿F(xiàn)該型采煤機(jī)的遠(yuǎn)距離信號(hào)采集和控制，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)軌跡跟蹤控制，在原控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上做出如下改造：

1）重新配置采煤機(jī)的各類傳感器，確保能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確獲取采煤機(jī)滾筒的位置和姿態(tài)；

2）對(duì)采煤機(jī)的主控制程序進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)滾筒的軌跡跟蹤精準(zhǔn)控制；

3）建立采煤機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)的遠(yuǎn)程控制[4]。

結(jié)合上述采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡的精準(zhǔn)控制需求，設(shè)計(jì)如圖2所示的運(yùn)動(dòng)軌跡精準(zhǔn)控制的原理框圖。

圖2 采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡精準(zhǔn)控制原理圖

如圖2所示，采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡的精準(zhǔn)控制系統(tǒng)可分為上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)、采煤機(jī)主控制器以及位置、姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)軌跡精準(zhǔn)控制系統(tǒng)的核心為能夠?qū)ι弦坏恫擅簷C(jī)滾筒的位置和姿態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)并記錄于采煤機(jī)主控制器中，以備采煤機(jī)滾筒的下一刀開(kāi)采。因此，本節(jié)著重對(duì)采煤機(jī)位置和姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

根據(jù)位置、姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的需求，需配置如表1所示功能模塊。

運(yùn)動(dòng)軌跡的精準(zhǔn)控制的核心是在第一刀精準(zhǔn)獲取采煤機(jī)的滾筒的高度和水平位移。故，采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡的精準(zhǔn)控制需設(shè)計(jì)合理的滾筒高度和水平位移檢測(cè)方案。

表1 采煤機(jī)位置、姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)主要功能模塊

2.1 滾筒高度檢測(cè)方案的設(shè)計(jì)

就采煤機(jī)滾筒的高度而言，可通過(guò)傾角傳感器測(cè)量搖臂的相對(duì)高度（檢測(cè)方案一）、測(cè)量活塞桿的位移（檢測(cè)方案二）以及測(cè)量采煤機(jī)機(jī)身和搖臂相對(duì)于絕對(duì)水平的傾角（檢測(cè)方案三）三種方法所得。對(duì)比三種方式的安裝維護(hù)成本和檢測(cè)精度，選用檢測(cè)方案三對(duì)滾筒高度進(jìn)行檢測(cè)。其具體實(shí)施方案如下：

首先，在采煤機(jī)機(jī)身安裝一個(gè)兩維傾角傳感器，對(duì)采煤機(jī)在水平和垂直方向上的傾斜角度進(jìn)行測(cè)量；其次，在采煤機(jī)左右兩個(gè)搖臂上各安裝一個(gè)傾角傳感器，用于獲取采煤機(jī)搖臂與其機(jī)身水平的夾角；最后，通過(guò)上述的測(cè)量角度，結(jié)合工作面走向長(zhǎng)度和機(jī)身長(zhǎng)度最終得出采煤機(jī)的滾筒高度[5]。

2.2 采煤機(jī)水平位置檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

本方案采用編碼器對(duì)采煤機(jī)與綜采工作面的相對(duì)位置進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)于編碼器而言，分為增量式編碼器和絕對(duì)式編碼器。其中，增量式編碼器僅適用于對(duì)角度、轉(zhuǎn)向、速度以及相對(duì)位置的測(cè)量；而絕對(duì)式編碼器分為單圈型和多圈型編碼器，其具有較高的抗干擾能力，而且結(jié)合本系統(tǒng)的應(yīng)用綜采工作面的走向長(zhǎng)度為200 m，本方案采用多圈型絕對(duì)式編碼器對(duì)采煤機(jī)的位置進(jìn)行檢測(cè)。

基于對(duì)上述硬件支持的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)如圖3所示的運(yùn)動(dòng)軌跡精準(zhǔn)控制程序流程圖。

圖3 運(yùn)動(dòng)軌跡精準(zhǔn)控制程序流程圖

如圖3所示，為確保采煤機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡的精準(zhǔn)控制，在采樣階段根據(jù)不同采樣點(diǎn)所采集滾筒位置、姿態(tài)等信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和記錄；在跟蹤階段根據(jù)已存儲(chǔ)的信息根據(jù)采煤機(jī)的位置對(duì)滾筒高度和位置進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，從而達(dá)到跟蹤控制的目的。

3 結(jié)語(yǔ)

采煤機(jī)為綜采工作面的主要生產(chǎn)設(shè)備，它也是實(shí)現(xiàn)綜采工作面自動(dòng)化生產(chǎn)的主要突破口。為實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的自動(dòng)化控制，本文基于采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡的精準(zhǔn)控制理念，在采樣階段對(duì)采煤機(jī)滾筒高度和姿態(tài)以及采煤機(jī)的水平位置進(jìn)行精準(zhǔn)采集；在跟蹤階段根據(jù)采集數(shù)據(jù)對(duì)采煤機(jī)滾筒的高度和姿態(tài)結(jié)合采煤機(jī)的實(shí)時(shí)水平位置進(jìn)行控制，最終達(dá)到對(duì)采煤機(jī)遠(yuǎn)程、自動(dòng)化控制的目的。