采煤機(jī)自動控制關(guān)鍵技術(shù)在無人工作面的應(yīng)用

趙云龍

（西山煤電鎮(zhèn)城底礦，山西 古交 030200）

引言

隨著傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，采煤機(jī)正向著自動化、智能化的方向發(fā)展，最終實現(xiàn)無人化的工作面。采煤機(jī)自動控制技術(shù)能夠提高煤炭生產(chǎn)安全性，改善工人作業(yè)環(huán)境，對于煤礦企業(yè)進(jìn)行采煤機(jī)升級改造和發(fā)展規(guī)劃具有一定意義。

1 位置檢測技術(shù)

獲取采煤機(jī)位置的檢測技術(shù)有齒輪或編碼定位技術(shù)、紅外定位技術(shù)、射頻識別定位技術(shù)和慣性導(dǎo)航定位技術(shù)等。齒輪定位技術(shù)是通過對采煤機(jī)行走齒輪轉(zhuǎn)動圈數(shù)計數(shù)，換算成采煤機(jī)前進(jìn)距離來推測采煤機(jī)位置的，局限在于采煤機(jī)曲線行走時誤差較大。通過無線電波感應(yīng)單個物體的射頻識別技術(shù)具有環(huán)境要求低、操作快捷方便等優(yōu)點，用于采煤機(jī)定位中具有獨特的優(yōu)勢。用液壓支架整數(shù)數(shù)字編號來表示采煤機(jī)位置是目前最常見的方式，通常在1~300之間。工作面上的支架在采煤機(jī)經(jīng)過時可視為靜止?fàn)顟B(tài)，在每個液壓支架固定位置安裝一個存有代表液壓支架編號的電子標(biāo)簽，在采煤機(jī)上安裝一個閱讀器，當(dāng)采煤機(jī)經(jīng)過某個液壓支架，閱讀器與電子標(biāo)簽的距離達(dá)到讀寫距離以內(nèi)時，閱讀器就會采集標(biāo)簽編號并發(fā)送給上位機(jī)，從而確定采煤機(jī)的實際位置。與射頻識別定位法類似，紅外定位技術(shù)是在采煤機(jī)和液壓支架上安裝一對紅外發(fā)射和接受裝置，其對于采煤機(jī)的位置描述也是離散的整數(shù)編號，由于紅外光線是直線傳播的，因此采煤機(jī)與液壓支架間的水平高度存在偏差會導(dǎo)致定位盲區(qū)。如圖1所示，捷聯(lián)慣性導(dǎo)航是一種通過運動體初始位置信息和三軸加速度、角速度，應(yīng)用牛頓慣性定律計算運動體姿態(tài)、速度和位置的定位技術(shù)。該種技術(shù)基于加速度計和陀螺儀等慣性敏感器件，能夠?qū)崿F(xiàn)全空間范圍內(nèi)的連續(xù)定位，測量精度較高，在復(fù)雜環(huán)境下采煤機(jī)定位、人員定位和綜采裝備虛擬現(xiàn)實等均有應(yīng)用[1-3]。

圖1 捷聯(lián)慣導(dǎo)定位技術(shù)示意圖

2 自動調(diào)速技術(shù)

采煤機(jī)的前進(jìn)速度受到瓦斯涌出量、頂板壓力等多種因素的制約，隨著采煤機(jī)向前推進(jìn)，煤層中的瓦斯被釋放出來，頂板的壓力也會越來越大，若采煤機(jī)速度加快，通風(fēng)機(jī)無法將瓦斯?jié)舛冉迪聛砘蛘唔敯灏l(fā)生破碎，極易發(fā)生瓦斯爆炸或冒頂事故。司機(jī)需要根據(jù)瓦斯?jié)舛群晚敯鍓毫砜刂撇擅簷C(jī)前進(jìn)速度，在瓦斯?jié)舛冉咏踩拗祷蝽敯逍枰斯ぶёo(hù)時降低采煤速度。在無人工作面，瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)和頂板壓力監(jiān)測系統(tǒng)采集工作面的瓦斯?jié)舛群晚敯鍓毫?shù)據(jù)，通過PLC自動控制采煤機(jī)速度，在保證安全的情況下提高采煤效率。由于瓦斯?jié)舛炔杉到y(tǒng)實時更新、傳感器數(shù)量多，在傳輸過程中經(jīng)常受到惡劣環(huán)境的干擾，因此基于瓦斯?jié)舛群晚敯鍓毫Φ牟擅簷C(jī)速度控制系統(tǒng)是一個非線性時變系統(tǒng)，無法建立準(zhǔn)確的輸入輸出關(guān)系，傳統(tǒng)的控制算法控制效果不佳。采用模糊自適應(yīng)控制和傳統(tǒng)PID控制方法相結(jié)合，用PID控制方法提高模糊控制的穩(wěn)態(tài)特性，用模糊控制方法彌補傳統(tǒng)PID控制的動態(tài)特性。除了以上因素，頂板的破碎程度也是采煤機(jī)速度的影響因素，利用工業(yè)攝像機(jī)捕捉頂板圖像，經(jīng)過數(shù)字化、邊緣檢測、中值濾波、圖像分割等一系列處理算法，獲取頂板裂縫的破碎程度，并對其進(jìn)行量化，也是無人工作面采煤機(jī)自動調(diào)速技術(shù)中的一種先進(jìn)技術(shù)。

3 自動調(diào)高技術(shù)

采煤機(jī)作業(yè)過程中，要求采煤機(jī)司機(jī)控制滾筒高度跟隨煤層厚度變化而變化，由于工作面粉塵多、噪聲大，人工調(diào)節(jié)滾筒高度并不能準(zhǔn)確判斷截割狀態(tài)和頂?shù)装逦恢?，在較厚的煤層滾筒高度調(diào)節(jié)偏于保守，會存在開采不充分、資源浪費的現(xiàn)象，在較薄的煤層滾筒高度調(diào)節(jié)范圍過大，滾筒會切割到頂?shù)装寤驇r石，造成機(jī)械磨損，嚴(yán)重時還會產(chǎn)生火花引發(fā)瓦斯爆炸。無人工作面的采煤機(jī)具有滾筒自動調(diào)高功能。采煤機(jī)前進(jìn)過程中，PLC內(nèi)的煤巖分界算法判斷出煤層厚度，并發(fā)出對應(yīng)的滾筒調(diào)節(jié)控制信號，液壓系統(tǒng)完成調(diào)節(jié)滾筒高度的動作，使截割滾筒保持在最大范圍內(nèi)截割煤層。煤巖識別技術(shù)是采煤機(jī)滾筒自動調(diào)高系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，其發(fā)展經(jīng)歷了兩個階段。在煤巖識別技術(shù)發(fā)展初期，通過應(yīng)力和振動感知、雷達(dá)探測和γ射線等手段識別，被稱為直接識別階段。目前的煤巖識別技術(shù)是以記憶截割法為代表的間接階段。記憶截割的控制流程分為兩步，首先收集和記憶截割路徑的參數(shù)，然后再進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)高。第一次截割由人工操作完成，為采煤機(jī)的自動行走和截割提供標(biāo)準(zhǔn)；在第二次及以后的截割動作中，若遇到煤層與滾筒高度不符的情況，采煤機(jī)就可以基于人工免疫理論進(jìn)行自動調(diào)高。不同結(jié)構(gòu)的采煤機(jī)調(diào)高方式不同，通過截割部、機(jī)身和搖臂均能調(diào)節(jié)截割高度，其中以搖臂調(diào)節(jié)最為常見，所有的調(diào)高動作都是由液壓油缸活塞作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。液壓調(diào)高系統(tǒng)由電機(jī)、定量泵、電磁換向閥和液壓缸等組成，具有力矩大、散熱好、易控制的優(yōu)點。電機(jī)帶動定量泵向液壓系統(tǒng)供液，PLC發(fā)出的電信號控制電磁換向閥的開度，從而改變液壓缸內(nèi)活塞的伸縮程度，達(dá)到控制滾筒高度的目的[4-6]。

4 記憶截割技術(shù)

記憶截割技術(shù)是一種集位置檢測技術(shù)、調(diào)速技術(shù)和調(diào)高技術(shù)等為一體的自動化截割方法，如圖2所示，通過在左右搖臂、機(jī)身、工作面等位置布置擺角傳感器、三軸陀螺儀等，采集采煤機(jī)和工作面的各類數(shù)據(jù)，通過記憶截割程序?qū)崟r數(shù)據(jù)與記憶學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)比較，發(fā)出記憶截割指令，完成記憶割煤動作。記憶截割系統(tǒng)具有三種工作模式，在人工操作模式下，司機(jī)可以手動操作采煤機(jī)，在學(xué)習(xí)模式下，司機(jī)手動操作采煤機(jī)的同時，各類傳感器采集所有數(shù)據(jù)和狀態(tài)量，存儲在記憶截割軟件中，形成自動截割的學(xué)習(xí)庫。在所有數(shù)據(jù)中，工作面頂部和底部的高度數(shù)據(jù)和采煤機(jī)位置是最主要的，合格的學(xué)習(xí)庫是一個完整的、由工序步驟、區(qū)段位置、牽引方向等組成的工序指令表。在自動截割模式下，軟件系統(tǒng)對之前學(xué)習(xí)模式下的截割過程進(jìn)行重復(fù)再現(xiàn)，通過傳感器返回的實測數(shù)據(jù)自動修正滾筒位置。采煤機(jī)記憶截割系統(tǒng)中，示范刀學(xué)習(xí)庫的建立關(guān)系到記憶截割的效率，在采煤機(jī)司機(jī)進(jìn)行第一刀截割時，要盡可能使采煤機(jī)運行在常態(tài)化地質(zhì)條件下，盡可能降低循環(huán)深度，盡量減少不必要的操作動作，從而提高記憶截割的正常觸發(fā)[7-9]。

圖2 采煤機(jī)記憶截割系統(tǒng)的傳感器布置圖

5 結(jié)語

在無人工作面中，采煤機(jī)自動控制技術(shù)涉及面廣泛，本文總結(jié)了采煤機(jī)位置檢測技術(shù)、基于瓦斯?jié)舛群晚敯鍓毫ΡO(jiān)測的調(diào)速技術(shù)、基于煤巖識別的液壓系統(tǒng)滾筒自動調(diào)高技術(shù)、記憶截割技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的原理、構(gòu)成和發(fā)展方向，為煤礦進(jìn)行采煤機(jī)技術(shù)引進(jìn)、升級改造、發(fā)展規(guī)劃提供了借鑒。采煤機(jī)自動控制技術(shù)是實現(xiàn)無人工作面的基礎(chǔ)，國民生產(chǎn)生活對煤炭資源的需求日益擴(kuò)大，國家對煤炭行業(yè)的安全越來越重視，采煤機(jī)自動控制技術(shù)將更加普及。