基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的掘進(jìn)機(jī)截割負(fù)載判定系統(tǒng)的研究

張曉磊

（晉能控股集團(tuán)挖金灣虎龍溝煤業(yè)有限公司， 山西 懷仁 038300）

引言

隨著各煤炭生產(chǎn)企業(yè)井下綜采作業(yè)設(shè)備自動(dòng)化水平的不斷提高，限制井下綜采作業(yè)效率進(jìn)一步提升的瓶頸已經(jīng)轉(zhuǎn)換為井下掘進(jìn)作業(yè)效率不能滿足綜采作業(yè)效率的要求。目前井下掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)作業(yè)時(shí)主要是依靠人工對(duì)截割狀態(tài)進(jìn)行判斷，不斷調(diào)整掘進(jìn)機(jī)的截割作業(yè)參數(shù)，但由于煤礦井下地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，給人工判斷帶來了極大的難度，同時(shí)工人在調(diào)整過程中，精神高度集中，極易產(chǎn)生疲勞，給井下掘進(jìn)作業(yè)帶來了極大的安全隱患。因此為了適應(yīng)井下掘進(jìn)作業(yè)自動(dòng)化的需求，本文提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的掘進(jìn)機(jī)截割負(fù)載判定系統(tǒng)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)作用在截割機(jī)構(gòu)上的負(fù)載進(jìn)行精確判斷，為實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)化掘進(jìn)作業(yè)奠定了基礎(chǔ)。

1 負(fù)載判定系統(tǒng)工作原理及控制流程

該基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的掘進(jìn)機(jī)截割負(fù)載判定系統(tǒng)利用設(shè)置在掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)及控制液壓缸處的壓力監(jiān)測設(shè)備對(duì)掘進(jìn)作業(yè)過程中的電機(jī)、執(zhí)行油缸壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)過程中的截割轉(zhuǎn)速、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作電流、掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)速度、執(zhí)行油缸的工作壓力和懸臂的工作角度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[1]對(duì)所監(jiān)控到的信息進(jìn)行融合校正處理，使監(jiān)測信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬量的數(shù)據(jù)信息信號(hào)，根據(jù)預(yù)設(shè)的運(yùn)算邏輯完成對(duì)掘進(jìn)機(jī)的截割載荷識(shí)別，對(duì)截割作業(yè)區(qū)域的巖層的硬度和截割阻力進(jìn)行精確判斷，將運(yùn)算結(jié)果直接顯示到操作終端處，同時(shí)自動(dòng)對(duì)采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，使其截割轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度根據(jù)巖層的截割阻力進(jìn)行靈活調(diào)整，最終提高了掘進(jìn)作業(yè)效率和使用壽命，該掘進(jìn)機(jī)截割負(fù)載判定系統(tǒng)的控制流程如圖1 所示[2]。

圖1 掘進(jìn)機(jī)截割負(fù)載判定流程示意圖

2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合的載荷信息識(shí)別原理

由于傳統(tǒng)的載荷識(shí)別方法僅僅是對(duì)各個(gè)傳感器設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，只有當(dāng)各個(gè)監(jiān)測數(shù)據(jù)均滿足一定條件時(shí)系統(tǒng)才判斷截割機(jī)構(gòu)處在某一個(gè)載荷范圍內(nèi)，但這種方案識(shí)別率低下、數(shù)據(jù)處理周期長、隨機(jī)性大，無法滿足自動(dòng)化要求的高精確性要求[3]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)是指將各個(gè)監(jiān)測設(shè)備所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)一的匯總分析，對(duì)整個(gè)監(jiān)測體系內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)分析，根據(jù)各數(shù)據(jù)的聯(lián)動(dòng)分析結(jié)果確定作用在截割滾筒上的截割阻力，該方法具有數(shù)據(jù)分析速度快、精度高的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足掘進(jìn)機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下的負(fù)載判定要求。

同時(shí)該系統(tǒng)根據(jù)所分析出的截割阻力的大小，對(duì)掘進(jìn)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，滿足在不同截割阻力下高速、安全截割作業(yè)要求，能夠極大地降低掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)作業(yè)過程中的磨損，提高使用壽命，使掘進(jìn)作業(yè)時(shí)能夠以最經(jīng)濟(jì)的方式進(jìn)行截割作業(yè)，該基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合的載荷信息識(shí)別原理如下頁圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)融合原理

3 數(shù)據(jù)傳感器位置示意圖

該掘進(jìn)機(jī)截割負(fù)載判定系統(tǒng)的核心在于對(duì)掘進(jìn)機(jī)工作狀態(tài)信息判斷的準(zhǔn)確性，因此各數(shù)據(jù)傳感器的位置設(shè)置和精確性直接關(guān)系到該判定系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，經(jīng)過多次試驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定的掘進(jìn)機(jī)上各傳感器的安裝位置結(jié)構(gòu)如下頁圖3 所示。

圖3 掘進(jìn)機(jī)傳感器布置結(jié)構(gòu)示意圖

掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)作業(yè)過程中當(dāng)截割機(jī)構(gòu)上的截割阻力發(fā)生變化時(shí)，截割機(jī)構(gòu)的振動(dòng)將隨著與截割滾筒距離的增加而逐漸降低，并且由于截割滾筒在不斷旋轉(zhuǎn)，因此為了避免傳感器的線束出現(xiàn)纏繞，最初采用了無線傳感器，但是由于煤礦井下地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致信號(hào)傳輸極不穩(wěn)定，無法滿足數(shù)據(jù)傳輸要求，因此經(jīng)過多次試驗(yàn)驗(yàn)證后本文選擇了一種新的滑環(huán)傳感器，該傳感器結(jié)構(gòu)與電機(jī)結(jié)構(gòu)類似，由定子和轉(zhuǎn)子共同構(gòu)成，能夠在確保轉(zhuǎn)子部分跟隨掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)的條件下，確保后側(cè)的連接線部分的穩(wěn)定性，從而確保了監(jiān)測信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

在設(shè)置壓力傳感器時(shí)，根據(jù)掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)各執(zhí)行油缸的工作特性，選擇將傳感器設(shè)置在回轉(zhuǎn)執(zhí)行油缸和升降執(zhí)行油缸處各設(shè)置一個(gè)壓力傳感器，滿足對(duì)執(zhí)行油缸工作過程中壓力的監(jiān)控要求。

4 傳感器選型要求

傳感器是用于對(duì)掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，滿足監(jiān)測需求的一種設(shè)備，由于掘進(jìn)機(jī)的工作環(huán)境較為惡劣，因此要求傳感器在滿足監(jiān)測精度的情況下具有極高的使用可靠性。

振動(dòng)傳感器主要是為了對(duì)截割作業(yè)過程中截割機(jī)構(gòu)的振動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)測，用于判斷傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定，一般分為磁電式和壓電式，經(jīng)過多次試驗(yàn)對(duì)比后，本文選擇了KGS18 式壓電式振動(dòng)傳感器，具有較高的固定頻率，電荷靈敏度高，能夠避免截割作業(yè)過程中截割載荷突變導(dǎo)致的誤報(bào)警狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)見圖4-1。

電流傳感器主要是對(duì)掘進(jìn)過程中驅(qū)動(dòng)電機(jī)的截割電流進(jìn)行監(jiān)測，從而根據(jù)電流變化情況確定截割負(fù)載的變化情況，要求靈敏度高，本文選擇了SD300EKADV 型電流傳感器，具有測量精度高，能適應(yīng)防爆環(huán)境的特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖4-2 所示。

壓力傳感器主要用于對(duì)執(zhí)行油缸的工作壓力進(jìn)行監(jiān)測，因此本文選擇了GPD60（A）礦用本安型壓力傳感器，能夠?qū)⒁簤簜鞲衅鹘?jīng)過電橋轉(zhuǎn)換成壓力信號(hào)，監(jiān)測精度能夠達(dá)到0.1 MPa，其結(jié)構(gòu)如圖4-3 所示。

圖4 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

5 結(jié)論

1）該方案利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對(duì)所監(jiān)控到的信息進(jìn)行融合校正處理，根據(jù)預(yù)設(shè)的運(yùn)算邏輯完成截割載荷識(shí)別，同時(shí)自動(dòng)對(duì)采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，使其截割轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度根據(jù)巖層的截割阻力進(jìn)行靈活調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)提高掘進(jìn)作業(yè)效率，提高掘進(jìn)機(jī)的使用壽命。

2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)是指將各個(gè)監(jiān)測設(shè)備所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)一的匯總分析，對(duì)整個(gè)監(jiān)測體系內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)分析，根據(jù)各數(shù)據(jù)的聯(lián)動(dòng)分析結(jié)果確定作用在截割滾筒上的截割阻力，具有數(shù)據(jù)分析速度快、精度高的優(yōu)點(diǎn)。