采煤機自動調(diào)高控制系統(tǒng)的設(shè)計與試驗研究

馬騰飛

（晉能控股煤業(yè)集團晉圣永安宏泰煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048200）

引言

采煤機為煤礦綜采工作面生產(chǎn)的主要設(shè)備之一，其與刮板輸送機、液壓支架統(tǒng)稱為工作面的“三機”。采煤機是實現(xiàn)高效集約化采煤、減少事故發(fā)生以及改善工作環(huán)境的主要設(shè)備。理論上講，實現(xiàn)采煤機、刮板輸送機與液壓支架的“三機”聯(lián)動控制是實現(xiàn)工作面采煤效率、安全性質(zhì)的飛躍。但是，就目前看來，只有刮板輸送機和液壓支架實現(xiàn)的聯(lián)動自動化控制，采煤機的單機自動化控制還未完全實現(xiàn)，究其原因在于無法實現(xiàn)采煤機的自動調(diào)控[1]。因此，本文重點對采煤機自動調(diào)高控制系統(tǒng)進行設(shè)計，并對其進行試驗研究。

1 采煤機自動調(diào)高系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其控制研究

滾筒自動調(diào)高系統(tǒng)為采煤機的重要組成部分，在實際截割過程中滾筒自動調(diào)高系統(tǒng)可根據(jù)工作面煤層變化對滾筒截割高度進行自適應(yīng)控制，以保證最終截割效果，從而達到最大的回采率。目前，對于常見的雙滾筒采煤機而言，最常見的滾筒提高方式包括搖臂提高、截割部調(diào)高以及機身調(diào)高。鑒于搖臂調(diào)高方式具有調(diào)整范圍大、裝煤效果佳以及臥底量大等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用。而且，采煤機滾筒自動調(diào)高的主要依據(jù)為基于記憶截割控制技術(shù)和對煤巖識別的基礎(chǔ)上實現(xiàn)自動調(diào)高控制功能[2]。

采煤機滾筒自動調(diào)高控制系統(tǒng)主要包括反饋系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。其中，反饋系統(tǒng)主要為自動調(diào)高控制器提供控制依據(jù)，包括對工作面煤巖識別結(jié)果、滾筒的實施位置；其中，煤巖識別主要是通過對截割力響應(yīng)檢測裝置的輸出值判斷煤層還是巖層。因此，實現(xiàn)采煤機滾筒的自動調(diào)高控制的核心在于對工作面煤巖界面的自動識別、基于煤巖識別和滾筒實時位置通過調(diào)高控制策略得出控制指令對相關(guān)執(zhí)行機構(gòu)包括液壓系統(tǒng)和機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的控制。

2 采煤機自動調(diào)高控制系統(tǒng)設(shè)計

本小節(jié)重點對采煤機自動調(diào)高控制系統(tǒng)實現(xiàn)的兩項關(guān)鍵技術(shù)包括煤巖識別技術(shù)和控制策略進行設(shè)計研究。

2.1 煤巖自動識別方法

在實際生產(chǎn)過程中，工作面煤層和巖層介質(zhì)具有隨機性和非線性的特點，對應(yīng)的采煤機截割電機的電流和牽引電機電流的變化也處于隨機性和非線性的變化狀態(tài)。以采煤機截割頂煤為例，截割工況可劃分為正常截割、截割硬煤層、截割頂板、截割夾矸和截割斷層五種。其中，正常截割、截割斷層以及截割頂板可通過判斷滾筒的截割高度確定；煤巖識別主要是對截割硬煤層、截割巖層的工作狀態(tài)進行識別。目前，可應(yīng)用的煤巖識別方法闡述如下：

1）基于支持向量機理論對煤巖界面的截割模式進行識別，該項技術(shù)主要存在的瓶頸為如何選擇合理的支持向量機理論核函數(shù)[3]。

2）基于灰色理論對煤巖界面截割模式進行識別，該項技術(shù)的核心在于通過對滾筒高度進行預(yù)測為后續(xù)滾筒提高提供依據(jù)。

3）基于智能識別算法能夠與灰色理論和支持向量機理論相比可獲得更加準(zhǔn)確的自動識別結(jié)果。

綜上，本項目可通過模糊RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成煤巖界面識別的功能，從而實現(xiàn)記憶截割控制，對應(yīng)的控制程序如下頁圖1 所示。

圖1 基于記憶截割控制程序流程

2.2 采煤機自動調(diào)高控制策略

采煤機調(diào)高液壓伺服系統(tǒng)在實際生產(chǎn)中容易受到滾筒負(fù)載、液壓系統(tǒng)的閥的系數(shù)以及介質(zhì)溫度等情況的影響。即，采煤機自動調(diào)高控制功能的實現(xiàn)屬于較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)，為保證最終控制效果、響應(yīng)速度和控制精度，滑膜控制策略與傳統(tǒng)PID 控制策略相對具有更快的響應(yīng)特性、跟蹤誤差小等優(yōu)勢，本項目采用滑?？刂评碚搶崿F(xiàn)，對應(yīng)的控制流程如下:

采煤機自動調(diào)高控制系統(tǒng)功能的實現(xiàn)需要對現(xiàn)場工作狀態(tài)進行監(jiān)測，主要通過模擬量采集模塊、數(shù)字量采集模塊等實現(xiàn)。其中，采煤機所配置油缸位移傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、瓦斯傳感器、振動傳感器等數(shù)據(jù)通過模擬量采集模塊進行采集；各類按鈕及端頭操作站的工作參數(shù)通過數(shù)字量采集模塊進行采集；除此之外，機身傾角傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器等參數(shù)均通過CAN 總線傳送至自動調(diào)高控制器中?；诨？刂扑惴ǖ贸鱿鄳?yīng)的控制指令通過CAN總線傳輸至變頻器、制動電磁閥、伺服驅(qū)動器等執(zhí)行機構(gòu)完成采煤機滾筒的自動調(diào)高控制[4]。

采煤機自動調(diào)高控制系統(tǒng)中所需的關(guān)鍵硬件選型如表1 所示。

表1 采煤機自動調(diào)高控制系統(tǒng)關(guān)鍵硬件選型

3 采煤機自動調(diào)高控制系統(tǒng)的試驗研究

為驗證所設(shè)計采煤機自動調(diào)高控制系統(tǒng)的性能，通過在實驗室搭建試驗平臺對其性能進行測試評估。結(jié)合采煤機自動調(diào)高系統(tǒng)的實際組成，對應(yīng)的試驗平臺包括液壓傳統(tǒng)和控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)以及計算機自動控制系統(tǒng)[5]?；谒罱ǖ脑囼炂脚_分別對空載和加載兩個工況下目標(biāo)截割路徑進行模擬。

3.1 空載條件下目標(biāo)截割路徑模擬結(jié)果分析

如圖2 所示，在空載狀態(tài)下基于本文所設(shè)計的采煤機自動調(diào)高控制系統(tǒng)，跟蹤位移與目標(biāo)位移的最大誤差僅為0.2 mm；而且基于所設(shè)計的自動調(diào)高控制策略可對不同斜率的目標(biāo)路徑進行跟蹤。

圖2 空載條件下目標(biāo)截割路徑模擬結(jié)果

3.2 加載條件下目標(biāo)截割路徑模擬結(jié)果分析

如圖3 所示，在加載狀態(tài)下基于本文所設(shè)計的采煤機自動調(diào)高控制系統(tǒng)，跟蹤位移與目標(biāo)位移的最大誤差僅為0.8 mm；而且基于所設(shè)計的自動調(diào)高控制策略可對不同斜率的目標(biāo)路徑進行跟蹤。

圖3 加載條件下目標(biāo)截割路徑模擬結(jié)果

綜上，基于滑模控制策略和記憶截割控制技術(shù)實現(xiàn)采煤機滾筒的自動調(diào)高是可行的，且跟蹤效果極好，同時可對不同工況下設(shè)定的目標(biāo)軌跡進行跟蹤控制。

4 結(jié)語

采煤機作為綜采工作面的主要生產(chǎn)設(shè)備，其自動化控制水平、智能化級別直接決定其是否能夠與刮板輸送機和液壓支架實現(xiàn)智能聯(lián)動控制，對于提升綜采工作面生產(chǎn)效率和安全性具有重要意義。針對采煤機單機自動化、智能化水平與刮板輸送機和液壓支架不匹配的問題，本文基于滑?？刂撇呗院陀洃浗馗羁刂萍夹g(shù)實現(xiàn)對采煤機滾筒的自動調(diào)高控制，并通過試驗得出：所設(shè)計的采煤機記憶調(diào)高控制系統(tǒng)跟蹤效果極好，且可對不同工況下設(shè)定的目標(biāo)軌跡進行跟蹤控制。