采煤機姿態(tài)控制系統(tǒng)研究

張 霞

（汾西礦業(yè)集團礦山設(shè)備租賃分公司，山西 介休 032000）

0 引言

隨著先進的機電設(shè)備、控制系統(tǒng)以及通信方式等在煤礦應(yīng)用，煤礦智能化水平得以不斷提升，井下煤炭開采也逐漸朝著智能化方向發(fā)展。采煤機結(jié)構(gòu)及運行機理決定了采煤機控制系統(tǒng)運行較為復(fù)雜[1-2]。眾多研究學(xué)者及工程技術(shù)人員對采煤機控制系統(tǒng)展開研究，其中王志強和胡霞[3]綜合PLC、LabVIEW 構(gòu)建采煤機采高控制系統(tǒng)，并從系統(tǒng)控制原理、整體結(jié)構(gòu)、通信方式等方面展開研究；張旭輝等[4]構(gòu)建了采煤機遠程控制模塊，以便解決核心控制器與采煤機遠程控制計算機、觸摸屏與變頻器等通信問題，并詳細闡述遠程控制模塊硬件、軟件結(jié)構(gòu)。采煤機割煤時需要依據(jù)現(xiàn)場條件調(diào)整工作姿態(tài)，以便提高采煤機割煤效果現(xiàn)場應(yīng)用過程中采煤機姿態(tài)多是通過工作人員經(jīng)驗調(diào)節(jié)，姿態(tài)調(diào)節(jié)方式效率不高且缺乏智能化[5]。為此，本文就在借鑒前人研究成果基礎(chǔ)上，構(gòu)建一套采煤機姿態(tài)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括姿態(tài)監(jiān)測、姿態(tài)控制電氣系統(tǒng)，可實現(xiàn)采煤機姿態(tài)自動調(diào)節(jié)，達到提升采煤機割煤適應(yīng)性以及割煤效率目的。

1 采煤機結(jié)構(gòu)及姿態(tài)控制要求

1.1 采煤機結(jié)構(gòu)

采煤機結(jié)構(gòu)組成部分包括牽引傳動系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、截割系統(tǒng)以及其他輔助系統(tǒng)等。其中，牽引傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括行走箱、牽引電機及減速箱等，置于采煤機兩側(cè)，根據(jù)生產(chǎn)需要，牽引采煤機往返移動，為采煤機提供過載保護。電氣系統(tǒng)包括變壓器箱、變頻器箱、高壓開關(guān)箱及電動機等，用以采煤機運行控制、瓦斯監(jiān)測等；截割部包括截割電機、滾筒以及搖臂等，置于采煤機兩端，實現(xiàn)割煤及落煤操作；為提高采煤效率并避免截割矸石，可通過調(diào)節(jié)機身傾角、搖臂傾角以及液壓調(diào)高油缸行程等方式調(diào)整采煤機割煤姿態(tài)。其他輔助系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括水管電纜拖移裝置、冷卻噴霧裝置以及底托架等。

1.2 姿態(tài)控制要求

采煤機運行姿態(tài)控制根據(jù)采煤機在采面內(nèi)不同位置調(diào)節(jié)，具體姿態(tài)控制主要目的包括：監(jiān)測采煤機位置、姿態(tài)信息；通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)獲取采煤機工作狀態(tài)圖像；監(jiān)測采煤機歷史運行數(shù)據(jù)；依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對采煤機姿態(tài)進行控制。具體可將采煤機姿態(tài)控制劃分成信號采集、控制規(guī)劃以及運動執(zhí)行等層級，首先監(jiān)測采煤機姿態(tài)并依據(jù)獲取到的采煤機圖像信息，對采煤機姿態(tài)調(diào)節(jié)進行預(yù)測。

2 姿態(tài)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

煤礦井下電氣設(shè)備控制策略主要分為集中式以及分布式控制兩種模式。其中集中式控制對控制系統(tǒng)后臺計算機性能有較高要求，分布式控制對采面內(nèi)設(shè)備分布要求更為精細?，F(xiàn)階段采面斜長較大部分采面斜長超過350 m，采煤機傾向移動范圍較大，因此采煤機姿態(tài)控制系統(tǒng)選用分布式。將分布式控制系統(tǒng)各組成單元分散到采面各位置，通過姿態(tài)控制系統(tǒng)與多個工業(yè)處理器相互聯(lián)合，實現(xiàn)采煤機姿態(tài)控制，總體控制方案如圖1 所示。

圖1 姿態(tài)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

姿態(tài)控制系統(tǒng)硬件包括各類傳感器，監(jiān)測采煤機運行姿態(tài)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、通信，選用的傳感器應(yīng)具備防爆、防水等要求；電子羅盤用以監(jiān)測采煤機姿態(tài)平衡位置，并記錄采煤機擺角、傾角。采煤機各連接部位采用液壓油缸連接，因此選用的壓力傳感器是液壓油壓力監(jiān)測的關(guān)鍵。姿態(tài)監(jiān)測中各傳感器、電子羅盤數(shù)據(jù)均匯總到編碼器解碼。

3 姿態(tài)監(jiān)測及控制

3.1 姿態(tài)監(jiān)測

3.1.1 位置檢測

采煤機位置檢測方案為：通過角位移傳感器對采煤機行走輪角速度進行監(jiān)測，以便實現(xiàn)位移檢測；采煤機行走輪角度及圈數(shù)數(shù)據(jù)傳輸至編碼器后形成脈沖信號，隨后通過數(shù)據(jù)傳輸總線將信號傳輸給PLC 進行處理，具體采煤機位置檢測技術(shù)方案如圖2 所示。

圖2 采煤機位置檢測技術(shù)方案

3.1.2 姿態(tài)檢測

在MG2×200/500-WD 采煤機上隨機配置有HMR3300 型電子羅盤，姿態(tài)檢測系統(tǒng)是用電子羅盤實現(xiàn)采煤機航向角、橫滾角以及傾角等關(guān)鍵姿態(tài)參數(shù)采集。HMR3300 型電子羅盤通過橫滾傳感器以及磁阻傳感器雙重測量，并將獲取數(shù)據(jù)傳輸至存儲器；電子羅盤與控制計算機通信接口連接，通過控制計算機對采煤機仰俯角解析，并對檢測得到的采煤機姿態(tài)數(shù)據(jù)進行調(diào)節(jié)、修正。

3.1.3 視頻監(jiān)控

在采煤機機身上配備FA-IE088M 型工業(yè)相機，對采煤機運行姿態(tài)進行視頻監(jiān)控，控制計算機對獲取到的采煤機姿態(tài)圖片進行分析，從而確定采煤機姿態(tài)。采用的FA-IE088M工業(yè)相機可實現(xiàn)高速物體抓拍，圖像拍攝質(zhì)量較佳，信噪比為60 dB。

3.2 姿態(tài)控制

3.2.1 姿態(tài)控制整體性分析

采煤機運行受采面內(nèi)刮板輸送機及液壓支架等影響，懸臂姿態(tài)受采面作業(yè)空間影響。影響機身姿態(tài)參數(shù)包括懸臂傾角、機身傾角，底板不平整時會導(dǎo)致刮板輸送機不平整，進而影響割煤高度，采煤機割煤高度受懸臂擺角影響。

采煤機采高通過液壓伺服系統(tǒng)調(diào)節(jié)，具體可由電磁閥控制液壓伺服系統(tǒng)液壓油運動，液壓油推動液壓缸活塞移動實現(xiàn)液壓伺服系統(tǒng)動作控制。采煤機姿態(tài)控制影響參數(shù)包括懸臂傾角、滾筒高度、調(diào)高油缸行程等。在控制軟件中將調(diào)高油缸行程作為控制量，將懸臂傾角作為監(jiān)測量，當(dāng)采面底板呈傾斜狀態(tài)時，采煤機機身傾角應(yīng)綜合底板傾角、搖臂水平面傾角綜合計算確定。在采煤機姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)充分考慮采面底板不平、煤層傾角問題，特別是采面仰采時底板不平整會導(dǎo)致采煤機機身穩(wěn)定性變差。

3.2.2 姿態(tài)控制方案

不同區(qū)域內(nèi)煤層賦存地質(zhì)條件存在差異，因此基于動態(tài)設(shè)計理念設(shè)計姿態(tài)控制方案。采煤機截割部截割不同硬度煤巖體時，液壓油缸壓力會出現(xiàn)一定變化，因此可依據(jù)液壓油缸壓力變化調(diào)節(jié)采煤機姿態(tài)，并依據(jù)煤層厚度修正采高。首先記錄采煤機在正常地質(zhì)條件下割煤時液壓油缸壓力值Q1，其次在采煤機自動控制時記錄液壓油缸壓力Q2，兩個壓力差Q0應(yīng)在合理范圍內(nèi)。如果Q0超過一定范圍，則應(yīng)按照控制指令進行調(diào)節(jié)。具體修正流程如圖3 所示。

圖3 姿態(tài)修正流程

3.2.3 截割高度自動調(diào)整

煤層賦存條件復(fù)雜，要求采煤機應(yīng)對不平整底板有較強的適應(yīng)性。在采煤機截割時，需要依據(jù)煤層賦存變化調(diào)整割煤高度、運行姿態(tài)。綜采工作人員依據(jù)現(xiàn)場條件設(shè)計割煤軌跡，并按擬定速度前移；由于采煤機推進速度較低且伺服電機調(diào)節(jié)具有一定延時性，導(dǎo)致采煤機截割高度不宜頻繁調(diào)節(jié)。為提升采煤機姿態(tài)控制效率，將采面劃分為30×30 網(wǎng)格并采集信息。

采煤機割煤時姿態(tài)控制系統(tǒng)發(fā)出采高調(diào)整信號并輸出偏差電壓信號，該信號會通過電磁閥控制液壓油缸動作，從而實現(xiàn)懸臂狀態(tài)調(diào)整。當(dāng)懸臂狀態(tài)達到預(yù)先設(shè)定位置后會發(fā)出一個反饋信號，反饋信號與偏差電壓信號比對，當(dāng)兩個信號差值在系統(tǒng)規(guī)定值范圍內(nèi)時，即停止懸臂狀態(tài)調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)采高自動調(diào)整。具體采高自動調(diào)整流程如圖4 所示。

圖4 采高自動調(diào)整流程

4 現(xiàn)場應(yīng)用分析

山西某礦3506 綜采工作面回采3 號煤層，煤厚均值3.5 m，傾角5°，頂?shù)装逡陨皫r及碳質(zhì)泥巖為主，賦存較為穩(wěn)定，開采范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育。采面設(shè)計推進長度950 m、傾向長度180 m，使用的采煤機型號為MG2×200/500-WD。將文中所述采煤機姿態(tài)控制系統(tǒng)應(yīng)用到3506 綜采工作面采煤機控制中，對人工控制與姿態(tài)控制時采煤機運行情況進行監(jiān)測，結(jié)果如表1 所示。

表1 人工控制與姿態(tài)控制時采煤機運行監(jiān)測結(jié)果

從表1 可以看出，應(yīng)用采煤機姿態(tài)控制系統(tǒng)后，采煤機牽引速度以及生產(chǎn)效率等均有所提升，同時現(xiàn)場應(yīng)用期間控制系統(tǒng)運行平穩(wěn)，采煤機可根據(jù)現(xiàn)場條件變化自動調(diào)節(jié)割煤姿態(tài)，期間基本不需要人工干預(yù)，應(yīng)用效果較為顯著。

5 結(jié)語

采煤機是井下采煤工作面主要開采設(shè)備，受煤層賦存條件以及現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境等因素影響，采煤機運行姿態(tài)經(jīng)常出現(xiàn)變化，常規(guī)的人工調(diào)節(jié)方式落后，為此文中構(gòu)建一種采煤機姿態(tài)控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)通過傳感器、電子羅盤以及工業(yè)照相機等實現(xiàn)采煤機位置、姿態(tài)監(jiān)測，并可依據(jù)現(xiàn)場條件變化自動調(diào)整割煤姿態(tài)。構(gòu)建的采煤機姿態(tài)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單，具有較強的適應(yīng)性，現(xiàn)場應(yīng)用效果顯著。該研究成果可為礦井智能化綜采工作面構(gòu)建提供經(jīng)驗借鑒。