采煤機自適應修正控制策略研究

胥志強

（山西汾河焦煤股份有限公司回坡底煤礦，山西 洪洞 041600）

隨著工業(yè)機械化水平的不斷提高，煤礦生產(chǎn)設備的自動化、 智能化水平也得到了突飛猛進的發(fā)展，采煤作業(yè)的智能化發(fā)展對于提高采煤作業(yè)效率和保障安全生產(chǎn)具有重要意義。 對于采煤機的智能化研究已有多年，根據(jù)采煤機截割部位電流變化，采煤機牽引部及油缸信息的改變，實現(xiàn)了對設備運行狀態(tài)的識別，基于小波分析理論，實現(xiàn)了對采煤機的自動化控制[1-4]。現(xiàn)有研究中，對于復雜煤巖狀態(tài)下的采煤機截割路徑的跟蹤較少，無法實現(xiàn)采煤機滾筒轉速及高度的智能調整，作業(yè)效率低下，設備損壞率高[5-6]。 本文基于實測數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的深層次分析，基于自適應修正控制策略，實現(xiàn)了采煤機的自動化控制。

1 采煤機截割狀態(tài)識別方法

形成采煤機截割路徑記憶是實現(xiàn)其自適應截割技術的重要基礎，具體實現(xiàn)原理如下：采集采煤機截割過程中所用工作狀態(tài)相關信息，然后對采集數(shù)據(jù)進行批量處理，主要包括數(shù)據(jù)的深入分析、優(yōu)化處理，此過程中需要將截割過程中設備的振動、抖動信息進行消除，對處理完成的數(shù)據(jù)進行壓縮，存儲至設備控制器上，經(jīng)過控制器的分析處理，形成系統(tǒng)性的操作指令，基于人機界面顯示出來，進而實現(xiàn)采煤機自適應截割。 在此過程中，信息的優(yōu)化處理是核心，也是采煤機截割狀態(tài)的重要識別方法，本文主要基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)的優(yōu)化。

在采煤機內部安裝9 個傳感器，分別監(jiān)測機身位置、機身傾角、調高油缸位移、搖臂傾角、牽引速度、截割電機電流、牽引電機電流、截割電機溫度、牽引電機溫度的變化。 傳感器主要有邏輯傳感器、傾角傳感器、位移傳感器、位置傳感器、電流傳感器、溫度傳感器，各類傳感器采集數(shù)據(jù)最高可達到41 兆字節(jié)，需要對海量數(shù)據(jù)進行壓縮、優(yōu)化并存儲，為后續(xù)分析提供便利。

實際生產(chǎn)中，采煤機截割過程中數(shù)據(jù)量巨大，因此控制器會接收到海量的數(shù)據(jù)。 考慮到控制器一定的數(shù)據(jù)存儲能力，部分數(shù)據(jù)無法進行存儲，而實際過程中會存在大量重復、無用的數(shù)據(jù)，造成存儲空間的浪費。 截割路徑記憶點的選取方案就是對數(shù)據(jù)進行優(yōu)化的關鍵步驟，減少數(shù)據(jù)量的同時，縮短了后期數(shù)據(jù)的篩選壓縮時長，具體選擇方案示意圖如圖1所示。 從圖1中可以看出，記憶點的選取方案主要有三種，常規(guī)記憶點路線是在采煤機工作期間以間隔時間為記憶點，對數(shù)據(jù)進行采集，無論采煤機是否處于工作狀態(tài)，都會自動記錄數(shù)據(jù)，造成數(shù)據(jù)量過多。 關鍵記憶點則是當采煤機處于工機工作期間以間隔時間為記憶點，對數(shù)據(jù)進行采集，無論采煤機是否處于工作狀態(tài)，都會自動記錄數(shù)據(jù)，造成數(shù)據(jù)量過多。 關鍵記憶點則是當采煤機處于工作狀態(tài)時，在控制命令的作用下，設備的工作狀態(tài)發(fā)生改變，此時對設備的記錄稱為關鍵記憶點，主要記錄設備啟動、停止以及速度變化時的狀態(tài)，因此記憶點開始和結束分別代表設備的啟動和停止。 特殊記憶點主要是指采煤機發(fā)生異常節(jié)點的記憶，一般是指設備由正常狀態(tài)轉向異常狀態(tài)節(jié)點或者由異常狀態(tài)轉向正常狀態(tài)節(jié)點。 采煤機自適應修正控制策略主要采用關鍵記憶點路線和特殊記憶點路線進行數(shù)據(jù)的采集，進而達到數(shù)據(jù)優(yōu)化的目的，減少了重復、無用數(shù)據(jù)的采集，提高了工作效率。

圖1 截割路徑記憶點選取方案

在采煤機運行過程中，隨著巖層位置的起伏變化，相應的截割動作也需進行調整、發(fā)生變化，這也是保護設備的必要操作。 對于設備的調整主要依賴傳感器采集的數(shù)據(jù)，采煤機數(shù)據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)齊全，是煤巖截割狀態(tài)識別的重要基礎，可以根據(jù)采集數(shù)據(jù)對采煤機高度和運行速度進行調整，實現(xiàn)復雜環(huán)境下設備的最優(yōu)運行。 礦井機械設備的智能化運行，也是基于記憶特性實現(xiàn)，通過自適應調節(jié)對采煤機進行精確化控制。 工作狀態(tài)下，采煤機的牽引、截割滾筒的升降以及推溜工作主要通過調整牽引速度和高度完成，自適應調控系統(tǒng)可以有效避免電機阻力過大及截割齒輪的斷裂問題，有效規(guī)避機械設備與巖層的硬碰硬現(xiàn)象。因此，選擇這兩個參數(shù)作為設備調控自適應的因素。 采煤機自適應修正控制策略如圖2 所示，通過在采煤機內部安裝9 個傳感器，分別監(jiān)測機身位置、機身傾角、調高油缸位移、搖臂傾角、牽引速度、截割電機電流、牽引電機電流、截割電機溫度、牽引電機溫度的變化，采用關鍵記憶點路線和特殊記憶點路線進行數(shù)據(jù)的采集，采集得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過BP神經(jīng)網(wǎng)絡進行優(yōu)化。 信號處理器模型的核心是利用小波包分解特征向量對處理的信號進行提取識別，經(jīng)過三層分解、特征向量的歸一化處理等手段，可以實現(xiàn)煤巖的識別狀態(tài)。 基于識別效果，自動控制系統(tǒng)可進行速度和高度參數(shù)的調節(jié)，實現(xiàn)調控自適應修正的目的。

圖2 采煤機自適應修正控制策略

2 采煤機自適應修正控制策略

采煤機自適應修正控制策略是在大量數(shù)據(jù)處理、壓縮、融合的基礎上，依賴于采煤機截割狀態(tài)識別模塊，獲取數(shù)據(jù)并實現(xiàn)修正控制策略。 首先需要判斷設備的截割狀態(tài)，當采煤機在截割巖石時，則需要適當降低滾筒的高度 （避免采煤機滾筒與巖層的直接接觸，減少設備的損壞），然后重新進行煤巖識別，直至采煤機處于截割煤炭狀態(tài)。 相反，當采煤機在截割煤炭時，則需要判斷煤炭中的矸石夾層，基于截割危險系數(shù)，當煤層中含有矸石夾矸時，則需要適當提高滾筒的轉速（矸石的強度較弱，增加設備轉速，可以提高生產(chǎn)效率），以采煤機的滾筒為例，自適應修正控制策略如下：

（1）先進行初始化操作，確定設備運行的基本參數(shù)，然后根據(jù)截割路徑記憶點選取方案，對設備運行過程中的參數(shù)進行記錄采集，通過數(shù)據(jù)的優(yōu)化處理，得到有效積累數(shù)據(jù)。

（2）然后根據(jù)記錄數(shù)據(jù)的反饋，得到采煤機滾筒的記憶運行軌跡，根據(jù)記憶軌跡設置設備的運行參數(shù)，令設備在特定運行參數(shù)下運行。

（3）此處自適應修正控制策略主要是采煤機滾筒，因此運行煤巖截割狀態(tài)識別模塊，根據(jù)截割煤巖的狀態(tài)，調整滾筒的高度以及運行速度。

（4）滾筒運行速度的調整需要依賴截割危險系數(shù)，當截割危險系數(shù)在合理范圍內時，則可以適當增加滾筒的運行速度；當截割危險系數(shù)不在合理范圍內時，則需要適當降低滾筒的運行速度。

（5）根據(jù)煤層厚度的變化，基于安全采高模塊、運動參數(shù)調控模塊實時更新記憶點，尤其是關鍵點和特殊點的更新，然后重新運行步驟（2），得到采煤機滾筒新的記憶運行軌跡。

在采煤機運行過程中，根據(jù)控制策略可發(fā)現(xiàn)一些突發(fā)狀況，尤其是基于截割危險系數(shù)對于滾筒運行速度的調控，可以有效降低設備沖擊過程中的破壞，提高工作效率，確保截割過程的安全性。

3 工程應用

圖3 為修正控制過程中滾筒速度的變化曲線。 當采煤機滾筒在截割之前，運行速度處于穩(wěn)定狀態(tài)。 當遇到巖壁時，在沖擊作用下，運行速度發(fā)生改變，此時截割危險系數(shù)會迅速上升，基于控制策略中煤巖截割狀態(tài)識別模塊可以得到具體的截割狀態(tài)，然后系統(tǒng)會提高滾筒的運行速度，此過程僅約為0.5 s，隨后穩(wěn)定運行。 當煤層中含有夾矸時，隨著滾筒力矩載荷的變化，牽引速度也會有一定的起伏，牽引速度的起伏變化可以有效降低沖擊載荷對設備的損耗，也可以降低截割危險系數(shù)，達到設備的自適應修正控制。 圖3 為修正控制過程中遇夾矸牽引速度的變化曲線。 牽引速度在0.5 s后基本穩(wěn)定運行，有兩個階段的起伏，其都是煤層中夾矸所致，1 s附近夾矸的硬度較大，牽引速度起伏較大，2 s過后，煤層中夾矸均勻，牽引速度起伏變化小，且呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。 整體而言，采煤機自適應修正控制策略對于設備的智能化控制有良好的效果。 圖4 為修正控制前遇頂板巖層采煤機滾筒軸部扭矩載荷變化規(guī)律。 采煤機滾筒軸部扭矩的變化更能真實地反映設備的運行狀態(tài)，可以看出，修正控制前，扭矩載荷變化呈現(xiàn)雙峰變化，在1.01 s左右達到第一個峰值，在2.25 s左右達到第二個峰值，整體呈現(xiàn)無規(guī)律的變化狀態(tài)，采煤機牽引速度的變化理論上與采煤機滾筒軸部扭矩載荷的變化規(guī)律一致。 修正控制過程中遇頂板巖層滾筒速度的變化曲線如圖5 所示，可以看出采煤機牽引速度在0.5 s后達到穩(wěn)定，在1.01 s左右出現(xiàn)波動，經(jīng)過修正后達到穩(wěn)定，隨后在2.25 s左右出現(xiàn)波動，隨后趨于穩(wěn)定狀態(tài)，在2.8 s后降低至1.5 m/s左右，修正過程中，設備的運行速度較為穩(wěn)定，達到自動控制的目的。

圖3 修正控制過程中遇夾矸牽引速度的變化曲線

圖4 修正控制前遇頂板巖層扭矩載荷變化規(guī)律

圖5 修正控制過程中遇頂板巖層滾筒速度的變化曲線

采煤機的實際運行過程中，如果是縱向推進采煤，隨著煤層賦存條件的改變，采煤機必然會接觸到頂板的巖層，如果不對采煤機進行自適應調整，設備長期與頂板巖層摩擦，極易造成截割頭等零件的損壞，降低了工作效率。 基于煤巖識別的自適應調整通過設備運行過程中的油缸壓力信號、電機電流以及能量加權等參數(shù)，第一時間判斷設備的運行屬性，適應煤巖的變化，在確保安全高效運行的同時，提高了設備的使用壽命，降低了設備損壞維修費用和時間周期，從本質上實現(xiàn)了自動控制。

4 結語

采煤機自適應修正控制策略是根據(jù)采煤機截割過程中頂?shù)装鍘r性及煤層條件的變化對截割過程的影響，采用截割狀態(tài)識別方法，對設備運行狀態(tài)進行監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)的優(yōu)化處理，完成運行參數(shù)的設置，基于自適應修正控制策略，以采煤機滾筒為例，實現(xiàn)了運行高度和運行速度的自動調控，保證設備高效運行的同時，實現(xiàn)了高效安全生產(chǎn)。