基于擴(kuò)展截割路徑的采煤機(jī)端頭記憶截割方法研究

高建喜

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)燕家河煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 042100）

0 引言

采煤機(jī)為煤礦綜采工作面的核心生產(chǎn)設(shè)備，在當(dāng)機(jī)械化生產(chǎn)的前提下對(duì)采煤機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)水平要求也越高。目前，采煤機(jī)的自動(dòng)化截割主要表現(xiàn)在工作面的中段，而在工作面端頭區(qū)間的斜切進(jìn)刀截割仍然是基于人工操作實(shí)現(xiàn)的。為進(jìn)一步提升采煤機(jī)的自動(dòng)化、智能化截割水平，采用基于擴(kuò)展截割路徑的端頭記憶截割方法實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面端頭區(qū)間煤層的截割，在降低操作人員數(shù)量和勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，避免采煤機(jī)截齒損害、軸承磨損以及電機(jī)過載等故障[1]。

1 采煤機(jī)記憶截割系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

綜采工作面生產(chǎn)環(huán)境惡劣，對(duì)應(yīng)的采煤機(jī)所面臨的生產(chǎn)工況相對(duì)復(fù)雜，導(dǎo)致針對(duì)綜采工作面端頭區(qū)間的煤層截割無法達(dá)到記憶截割的水平[2]。本節(jié)將針對(duì)此問題完成采煤機(jī)端頭的記憶截割系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括有機(jī)載端頭記憶截割系統(tǒng)和順槽遠(yuǎn)程端頭記憶截割系統(tǒng)。

1.1 采煤機(jī)概述

以雙滾筒采煤機(jī)為例開展研究，采煤機(jī)基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。雙滾筒采煤機(jī)主要包括有左右牽引系統(tǒng)、左右截割系統(tǒng)以及電氣控制系統(tǒng)等核心部件。其中，截割部為與煤層截齒的部件，滾筒為截割部的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其與煤層直接接觸，也是交變載荷傳遞的第一載體；牽引部為實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)沿著煤層行走的部件，其以刮板輸送機(jī)提供的軌道為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)行走功能；電氣控制系統(tǒng)為采煤機(jī)的中樞大腦，其是發(fā)出控制指令的部件。

圖1 采煤機(jī)基本結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 采煤機(jī)端頭記憶截割控制方案

目前，綜采工作面端頭煤層為采煤機(jī)截割的主要難點(diǎn)，其也是無法實(shí)現(xiàn)全面自動(dòng)化生產(chǎn)的關(guān)鍵點(diǎn)。針對(duì)采煤機(jī)端頭煤層主要以斜切進(jìn)刀方式完成截割任務(wù)，而且此項(xiàng)任務(wù)目前主要依靠人工操作完成[3]。鑒于端頭煤層的特殊性，需要在該位置往復(fù)截割兩個(gè)循環(huán)才能夠完成最終的采煤任務(wù)，即“2 進(jìn)2 出”采煤工藝。在上述四刀的截割中，第一刀、第三刀以及第四刀所行走的軌跡為與工作面煤壁相平行的直線路線；而第二刀所行走的軌跡為S 型的彎曲路線。

采煤機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)中的關(guān)鍵控制動(dòng)作包括牽引調(diào)速、推溜以及滾筒調(diào)高。其中，采煤機(jī)端頭記憶截割的核心在于對(duì)采煤機(jī)滾筒的自動(dòng)調(diào)高和牽引速度的自動(dòng)控制以達(dá)到二者的高度匹配，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)工作面端頭煤層的自動(dòng)化記憶截割。根據(jù)采煤機(jī)端頭記憶截割的控制需求，設(shè)計(jì)如圖2 所示的控制流程。

圖2 采煤機(jī)端頭記憶截割控制流程

如圖2 所示，采煤機(jī)端頭記憶截割功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)為根據(jù)現(xiàn)場所安裝的各類檢測采煤機(jī)工作狀態(tài)傳感器所采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)端頭負(fù)載的預(yù)判，并基于擴(kuò)展截割路徑端頭截割方法實(shí)現(xiàn)對(duì)端頭區(qū)段內(nèi)煤層的截割。

2 采煤機(jī)端頭記憶截割系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采煤機(jī)端頭記憶截割可以分為機(jī)載端頭記憶截割系統(tǒng)和順槽遠(yuǎn)程端頭記憶截割系統(tǒng)。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)情況，分別完成上述兩類端頭記憶截割控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.1 采煤機(jī)機(jī)載端頭記憶截割控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

考慮到端頭區(qū)段空間的限制和工作環(huán)境的惡劣性，在機(jī)載端頭記憶截割系統(tǒng)僅對(duì)傳感器所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的處理；也就是說，機(jī)載端頭記憶截割系統(tǒng)所配套的各類傳感器模塊所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的處理后通過無線網(wǎng)絡(luò)將其傳輸至順槽遠(yuǎn)程端頭記憶截割系統(tǒng)中進(jìn)行運(yùn)算、分析處理[4]。

因此，對(duì)于機(jī)載端頭記憶截割系統(tǒng)而言，其核心為PLC 處理器和各類傳感器模塊。綜合工作面生產(chǎn)環(huán)境的惡劣性，本系統(tǒng)采用西門子公司的S7-300 系列PLC 為核心處理器，與其相配套的各類硬件如表1所示。

表1 機(jī)載端頭記憶截割系統(tǒng)PLC 控制器硬件模塊

該系統(tǒng)所配套的傳感器包括有傾角傳感器、電流互感器和溫度傳感器。其中，傾角傳感器主要對(duì)采煤機(jī)機(jī)身和滾筒進(jìn)行定位；電流互感器對(duì)左右截割電機(jī)和牽引電機(jī)的電流參數(shù)進(jìn)行采集；溫度傳感器對(duì)左右截割電機(jī)和牽引電機(jī)溫度進(jìn)行采集。

針對(duì)機(jī)載端頭記憶截割系統(tǒng)數(shù)據(jù)向順槽遠(yuǎn)程端頭記憶截割系統(tǒng)傳輸?shù)男枨螅紤]到工作面處于不斷推進(jìn)的狀態(tài)，采用傳統(tǒng)的電纜對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸無法長期實(shí)現(xiàn)其功能。因此，本系統(tǒng)采用MESH 交換機(jī)作為無線通信平臺(tái)完成兩個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的交換[5]。

2.2 順槽遠(yuǎn)程端頭記憶截割系統(tǒng)

順槽遠(yuǎn)程端頭記憶截割系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)與機(jī)載端頭記憶截割系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控管理。因此，該系統(tǒng)主要包括有采煤機(jī)WinCC 監(jiān)控平臺(tái)和無線MESH 交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)。

其中，基于采煤機(jī)WinCC 監(jiān)控平臺(tái)可實(shí)時(shí)顯示采煤機(jī)的工作狀態(tài)，包括端頭截割曲線、電機(jī)電流、溫度以及故障信息等。無線通信管理平臺(tái)保證兩個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的正常交換和通信。

3 采煤機(jī)端頭記憶截割的工業(yè)性試驗(yàn)

為了驗(yàn)證端頭記憶截割控制系統(tǒng)的控制流程的合理性以及各個(gè)模塊的有效性，在71509 綜采工作面應(yīng)用本文所設(shè)計(jì)的記憶截割控制系統(tǒng)，在現(xiàn)場所搭建的控制系統(tǒng)憑條架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 采煤機(jī)端頭記憶截割系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用效果

71509 綜采工作面煤層的平均傾角為5°，煤層最大厚度為4 m；該工作面所配套的采煤機(jī)型號(hào)為MG300/700-WD，與之相配套的刮板輸送機(jī)型號(hào)為SGZ-800/800。采煤機(jī)在對(duì)端頭區(qū)段煤層進(jìn)行截割時(shí)，端頭記憶截割系統(tǒng)的控制效果如圖4 所示。

圖4 端頭記憶截割系統(tǒng)控制效果

如圖4 所示，在對(duì)端頭區(qū)段內(nèi)煤層進(jìn)行截割時(shí)，采煤機(jī)的行走和截割軌跡均能夠按照目標(biāo)路徑完成截割功能，即具有良好的跟蹤效果。

4 結(jié)論

采煤機(jī)為綜采工作面生產(chǎn)的核心設(shè)備，其生產(chǎn)能力和自動(dòng)化水平直接關(guān)系著整個(gè)煤礦的生產(chǎn)能力。目前，對(duì)于工作面中段煤層已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化記憶截割功能，而對(duì)于工作面端頭區(qū)段的煤層還主要依靠人工操作完成截割。為此，本文設(shè)計(jì)了一款基于擴(kuò)展截割路徑的端頭記憶截割系統(tǒng)?？偨Y(jié)如下：

1）端頭煤層記憶截割包括有機(jī)載端頭記憶截割系統(tǒng)和順槽遠(yuǎn)程端頭記憶截割系統(tǒng)兩部分組成；其中，機(jī)載端頭記憶截割系統(tǒng)以PLC 控制器為核心，以各類傳感器為依托實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的采集，并通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至順槽遠(yuǎn)程端頭記憶截割系統(tǒng)；順槽遠(yuǎn)程記憶截割系統(tǒng)對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析處理后得出控制指令，并傳輸至機(jī)載端頭記憶截割控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)截割動(dòng)作的控制。

2）實(shí)踐表明：在對(duì)端頭區(qū)段內(nèi)煤層進(jìn)行截割時(shí)，采煤機(jī)的行走和截割軌跡均能夠按照目標(biāo)路徑完成截割功能，具有良好的跟蹤效果。