采煤機(jī)自動(dòng)化自整定控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及效果分析

常映輝

（1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030051；2.煤礦采掘機(jī)械裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

引言

隨著采煤技術(shù)的不斷發(fā)展應(yīng)用，自動(dòng)化采煤成為礦井生產(chǎn)開采的主要形式，極大地提高了煤炭開采的效率及安全性[1]。采煤機(jī)作為煤礦綜采的主要設(shè)備，主要進(jìn)行煤巖的截割及裝煤工作，其自動(dòng)化程度及控制的精度對(duì)自動(dòng)化綜采的實(shí)現(xiàn)具有直接的影響[2]。采煤機(jī)在煤巖截割的過程中，由于受煤巖地質(zhì)條件的變化，對(duì)采煤機(jī)采高及牽引速度的自動(dòng)化調(diào)節(jié)的精度具有較高的要求[3]。針對(duì)采煤機(jī)的控制系統(tǒng)，采用記憶截割、自整定控制的方式進(jìn)行控制，并搭建自動(dòng)化的控制系統(tǒng)[4]，提高采煤機(jī)的自動(dòng)化控制水平，從而為自動(dòng)化綜采的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)，提高煤礦開采的效率及安全。

1 采煤機(jī)自整定控制器的設(shè)計(jì)

采煤機(jī)在綜采過程中進(jìn)行煤巖的截割及裝煤作業(yè)，由于煤層地質(zhì)分布的變化，采煤機(jī)截割過程中的采高及牽引速度要進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整，以適應(yīng)煤層的變化提高采煤機(jī)的截割效率。采煤機(jī)常規(guī)的控制方式采用PID 控制[5]，這種控制方式通過比例、積分及微分常數(shù)的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)采高及牽引速度的反饋調(diào)節(jié)，這種控制方式能夠提高系統(tǒng)控制的精度[6]，具有良好的反饋效果，但在煤礦開采的過程中，由于調(diào)節(jié)過程的隨機(jī)性，PID 系統(tǒng)控制的非線性表現(xiàn)不足，且對(duì)系統(tǒng)隨機(jī)變化的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，不能滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性調(diào)節(jié)需求。針對(duì)這一問題，采用PID 控制方式與其他的控制算法進(jìn)行組合控制，從而提高系統(tǒng)控制的效果。

自整定控制方式在控制過程中不需要獲取采煤機(jī)控制對(duì)象的運(yùn)動(dòng)特性，依據(jù)采煤機(jī)運(yùn)行過程中的工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)值進(jìn)行控制參數(shù)的賦值[7]，在控制系統(tǒng)的運(yùn)行過程中對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)提高控制精度的效果。采煤機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)依據(jù)控制器的控制信號(hào)進(jìn)行采煤機(jī)的截割及牽引機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)[8]，實(shí)現(xiàn)不同煤層地質(zhì)條件的采煤機(jī)自動(dòng)控制。

采煤機(jī)控制器依據(jù)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行自整定控制，從而提高采煤機(jī)控制的速度及準(zhǔn)確度，自整定的PID 控制器作為控制系統(tǒng)的核心部分，通過對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的采集分析與經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)采煤機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行辨識(shí)求解[9]，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整。在MATLAB 軟件中進(jìn)行自整定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示，采用自整定的Autotuning 模塊實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的自整定控制。

2 采煤機(jī)自動(dòng)化自整定控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

采煤機(jī)的自動(dòng)化控制主要針對(duì)牽引機(jī)構(gòu)及截割結(jié)構(gòu)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，牽引機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引速度及行走方向的控制，截割機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)截割速度及滾筒高度的調(diào)節(jié)。自動(dòng)化控制系統(tǒng)通過傳感器進(jìn)行采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)[10]，當(dāng)超出指定的高度時(shí)進(jìn)行報(bào)警提示。依據(jù)系統(tǒng)的自整定控制器進(jìn)行采煤機(jī)的記憶截割控制，并具有遠(yuǎn)程監(jiān)控控制的功能，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下頁(yè)圖2 所示。

采煤機(jī)的自動(dòng)控制功能包括滾筒高度的自動(dòng)調(diào)整、牽引速度的自動(dòng)調(diào)節(jié)及不同工況下采煤工藝的組合及采煤機(jī)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。具體的控制流程為控制系統(tǒng)依據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)行姿態(tài)的監(jiān)測(cè)[11]，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，自整定控制器自動(dòng)進(jìn)行新的控制參數(shù)的計(jì)算，進(jìn)行指令的下發(fā)進(jìn)行采煤機(jī)的調(diào)節(jié)控制。滾筒高度的調(diào)節(jié)主要依靠記憶截割設(shè)定的滾筒高度，并將當(dāng)前的信息與給定的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比[12]，牽引速度的調(diào)節(jié)主要依靠截割負(fù)載的信息進(jìn)行自整定的反饋進(jìn)行調(diào)節(jié)。

依據(jù)采煤機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的功能需求進(jìn)行自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，功能框圖如圖3 所示。對(duì)于采煤機(jī)位置的檢測(cè)通過安裝旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行測(cè)定，位置檢測(cè)信息的準(zhǔn)確度是進(jìn)行自動(dòng)控制的前提。采煤機(jī)的牽引速度調(diào)節(jié)通過PLC 進(jìn)行變頻器的控制，實(shí)現(xiàn)牽引電機(jī)運(yùn)行速度的調(diào)節(jié)，行走方向通過變頻器改變電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行改變。PLC 與變頻器之間采用RS485 總線的形式進(jìn)行通訊，讀取變頻器的數(shù)據(jù)，并在顯示界面中進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示調(diào)節(jié)。

在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，采用CAN 總線的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)的通訊連接，CAN 總線具有較高的可靠性及傳輸速度，連接布線的方式簡(jiǎn)單，且具有較好的故障防護(hù)機(jī)制，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定安全控制。針對(duì)采煤機(jī)內(nèi)部高低壓線路的布置，在CAN 總線上進(jìn)行隔離模塊的設(shè)計(jì)，從而防止信號(hào)的干擾突變，保證系統(tǒng)通訊的穩(wěn)定。

采煤機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)采用記憶截割控制的方式，依據(jù)人工示范的基準(zhǔn)運(yùn)行，當(dāng)工作面出現(xiàn)變化時(shí)，通過人工干預(yù)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制調(diào)節(jié)采煤機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，從而對(duì)采煤機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)存儲(chǔ)，并作為下一步自動(dòng)控制的給定參數(shù)。當(dāng)進(jìn)行自動(dòng)化控制時(shí)，采煤機(jī)依據(jù)傳感器返回的信號(hào)與記憶的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析得到采煤機(jī)的工作狀態(tài)參數(shù)，對(duì)執(zhí)行器發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)的自動(dòng)化調(diào)節(jié)控制。采用CX-Designer 組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)顯示器與PLC 系統(tǒng)的連接，進(jìn)行控制界面的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示及遠(yuǎn)程控制的交互操作。

3 采煤機(jī)自動(dòng)化自整定控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果

依據(jù)所設(shè)計(jì)的采煤機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)應(yīng)用到MG650 型礦井采煤機(jī)中，采煤機(jī)的采高范圍為3.0～5.5 m，在開采礦井工作面的長(zhǎng)度為800 m，煤層的分布厚度為3.5～5.0 m，煤層的傾角為2°，對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用。當(dāng)煤層的高度發(fā)生變化時(shí)，采煤機(jī)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)能夠依據(jù)煤層的變化進(jìn)行采高的自動(dòng)化調(diào)節(jié)，依據(jù)記憶截割的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬采高值的跟隨。采煤機(jī)能夠完成自動(dòng)化的截割，達(dá)到自動(dòng)化控制的目的?？刂七^程中存在著一定的調(diào)節(jié)誤差，這與采煤機(jī)的工作阻力、液壓阻尼等多種因素相關(guān)。

4 結(jié)語(yǔ)

采煤機(jī)的自動(dòng)化控制是實(shí)現(xiàn)煤礦自動(dòng)化綜采的重要基礎(chǔ)，采用自整定控制的方式設(shè)計(jì)了自整定控制器，并將其應(yīng)用到采煤機(jī)的控制中，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的自動(dòng)化記憶截割控制，搭建了采煤機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，能夠依據(jù)煤層的變化自動(dòng)進(jìn)行采煤機(jī)運(yùn)行參數(shù)的調(diào)節(jié)控制。應(yīng)用所設(shè)計(jì)的采煤機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，對(duì)煤層變化時(shí)的采高控制進(jìn)行效果分析，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采煤機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化的調(diào)節(jié)控制，提高采煤機(jī)運(yùn)行的自動(dòng)化程度，從而為實(shí)現(xiàn)綜采自動(dòng)化奠定基礎(chǔ)，提高煤礦的開采效率及安全性。