采煤機智能化截割監(jiān)測系統(tǒng)的研究

韓 劍

（霍州煤電集團呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦，山西 呂梁 033200）

引言

采煤機是煤礦井下“三機”設(shè)備的核心，直接決定了井下綜采作業(yè)的效率和可靠性，由于井下的特殊地理環(huán)境，人工截割控制存在著天然的劣勢，不僅截割效率低，而且極易出現(xiàn)觸頂或者截割不到位的情況，嚴重影響了井下綜采作業(yè)的順利進行。隨著自動化水平的不斷提升，目前一些采煤機開始采用記憶截割控制，但在實際使用過程中由于監(jiān)測系統(tǒng)落后、數(shù)據(jù)處理效率低、精確性差，因此實際上只能實現(xiàn)半自動化截割作業(yè)，在整個采煤過程中還需要大量的人工干預。當采煤機出現(xiàn)截割故障時，無法對數(shù)據(jù)進行追溯，只能由維修人員根據(jù)經(jīng)驗進行排查，效率低、可靠性差，難以滿足井下高效綜采的發(fā)展需求。

本文提出了一種新的采煤機智能化截割監(jiān)測系統(tǒng)，以大數(shù)據(jù)集成控制為核心，利用高精度傳感器對采煤機運行時的核心參數(shù)進行監(jiān)測，利用模糊數(shù)據(jù)處理分析的方式對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分類識別，獲取采煤機在不同狀態(tài)下的截割參數(shù)，實現(xiàn)了優(yōu)化截割控制參數(shù)、提升采煤機自動截割控制精度。根據(jù)實際應用表明，該智能截割控制系統(tǒng)能夠?qū)⒉擅簷C的截割效率提升17.2%，將采煤機運行時的截割故障降低88.3%，極大地提升了采煤機截割作業(yè)時的智能化程度和可靠性。

1 智能化截割監(jiān)測系統(tǒng)

為了提升采煤機的智能化截割程度，同時對采煤機的運行狀態(tài)參數(shù)進行監(jiān)測，實現(xiàn)故障自動識別和報警，本文根據(jù)采煤機記憶截割控制邏輯和實際監(jiān)測需求，提出了一種新的智能化截割監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計方案，能夠根據(jù)不同的監(jiān)測對象進行靈活拓展，從而滿足監(jiān)測可靠性的需求，該智能化截割監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

圖1 智能化截割監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

由圖1可知，該智能監(jiān)測系統(tǒng)主要包括了數(shù)據(jù)處理模塊、機身參數(shù)采集模塊、控制參數(shù)采集模塊及數(shù)據(jù)傳輸模塊，其中該智能化截割監(jiān)測系統(tǒng)的核心是S7-300PLC模塊，是整個監(jiān)測系統(tǒng)的“大腦”，主要是對各監(jiān)測傳感器所獲取的監(jiān)測信息進行分類、對比、判別并輸出控制指令，確保采煤機在不同狀態(tài)下的運行穩(wěn)定性。

機身參數(shù)采集模塊主要是依靠設(shè)置在采煤機上的各類傳感器對采煤機液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)的核心元器件的工作狀態(tài)進行監(jiān)測，當出現(xiàn)異常信號時發(fā)出報警和定位，為故障的快速排除提供指導。

控制參數(shù)采集模塊主要是對采煤機運行過程中的各類控制信息進行監(jiān)測和對比，判斷采煤機運行姿態(tài)是否調(diào)整到位，從而保證采煤機在記憶截割模式下的控制精確性，提高采煤機自動截割效率和可靠性。

數(shù)據(jù)傳輸模塊主要是利用高速通信電纜，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上下游傳遞，在這個過程中不僅要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)木_性需求，而且需要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_性和及時性。

2 智能化監(jiān)測系統(tǒng)控制邏輯

為了滿足智能化調(diào)控的需求，本文設(shè)計了一種新的基于記憶截割的采煤機智能化監(jiān)測控制邏輯，其控制結(jié)構(gòu)如下頁圖2所示[2]。

圖2 智能化監(jiān)測系統(tǒng)控制邏輯

由于采煤機智能化監(jiān)測系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計的思想[3]，為了滿足不同模塊獨立運行的邏輯，主要分為監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集控制邏輯、自適應記憶截割控制邏輯、監(jiān)控報警邏輯及人工修正控制邏輯四個部分。當采煤機在記憶截割邏輯下工作時，系統(tǒng)自動對采煤機運行時的機身狀態(tài)和控制參數(shù)進行檢查，將實際檢測結(jié)果和系統(tǒng)內(nèi)的記憶截割路徑進行對比分析，即可確認采煤機記憶截割控制的準確性。

由于井下實際工況比較惡劣，因此在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置了人工修正和監(jiān)控報警邏輯，在特殊情況下可以實現(xiàn)人工的遠程截割控制，幫助采煤機通過地質(zhì)條件復雜的區(qū)域，提高截割作業(yè)的安全性。同時系統(tǒng)自動對采煤機運行時的參數(shù)進行監(jiān)控，當運行參數(shù)發(fā)生異常時，系統(tǒng)自動對承諾書進行調(diào)整和修正，確保采煤機截割作業(yè)的穩(wěn)定，當數(shù)據(jù)參數(shù)偏差量大且修正無效時，系統(tǒng)將自動觸發(fā)報警并對故障位置、故障表現(xiàn)、故障原因等進行定義，幫助人工進行故障的快速鎖定和處理。

3 記憶截割監(jiān)測邏輯

該監(jiān)測系統(tǒng)的核心是對采煤機記憶截割路徑進行監(jiān)測，確定各個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)信息是否符合理論監(jiān)測要求，由于記憶截割過程中的數(shù)據(jù)量信息極大，因此傳統(tǒng)的監(jiān)測方案難以實現(xiàn)全面監(jiān)控，為了滿足監(jiān)控可靠性的需求，將采煤機記憶截割時的路徑信息分為常規(guī)點、關(guān)鍵點、特殊點三個部分[4]，記憶點分類如圖3所示[5]。

在監(jiān)測系統(tǒng)中，常規(guī)點的數(shù)量最多，按照截割時間，每隔3 s記錄一次采煤機的截割狀態(tài)信息，是記憶截割監(jiān)控的基礎(chǔ)。關(guān)鍵點是指截割作業(yè)過程中發(fā)生位置突變、截割電機啟停等情況下采煤機的調(diào)整點，是記憶截割監(jiān)測的核心，每隔一定的時間間隔就需要對關(guān)鍵點參數(shù)進行對比分析，確定偏差量，然后進行調(diào)整。特殊點主要是指開啟記憶截割和關(guān)閉記憶截割時候的恢復點。

圖3 記憶點分類示意圖

通過對記憶截割控制點的分類劃分，監(jiān)測系統(tǒng)在進行數(shù)據(jù)監(jiān)測時無需進行連續(xù)性監(jiān)測，只需要對常規(guī)點、關(guān)鍵點和特殊點進行定時監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析即可[6]，既有效提升了數(shù)據(jù)分析的效率和準確性，也極大地減少了數(shù)據(jù)分析量、減少了資源消耗。

該采煤機智能化截割監(jiān)測系統(tǒng)投入應用后，對采煤機的井下截割作業(yè)情況進行跟蹤監(jiān)測，通過對6個月的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，采用該系統(tǒng)后采煤機的截割效率提升17.2%，采煤機運行時的截割故障率降低88.3%，顯著提升了采煤機井下截割作業(yè)的效率和穩(wěn)定性，為進一步推進井下“無人”化綜采作業(yè)奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

為了解決傳統(tǒng)采煤機自動化程度低、運行參數(shù)無法實時采集監(jiān)測的難題，提出了一種新的采煤機智能化截割監(jiān)測系統(tǒng)，對該系統(tǒng)的構(gòu)成、判別邏輯和應用情況進行了分析，結(jié)果表明：

1）智能化截割監(jiān)測系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計方案，能夠根據(jù)不同的監(jiān)測對象進行靈活拓展，從而滿足監(jiān)測可靠性的需求。

2）智能化截割監(jiān)測控制邏輯分為監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集控制邏輯、自適應記憶截割控制邏輯、監(jiān)控報警邏輯及人工修正控制邏輯四個部分。

3）將采煤機記憶截割時的路徑信息分為常規(guī)點、關(guān)鍵點、特殊點三個部分，有效提升了數(shù)據(jù)分析的效率。

4）該智能截割控制系統(tǒng)的應用將采煤機的截割效率提升17.2%，將采煤機運行時的截割故障率降低88.3%。