綜采工作面采煤機(jī)自動(dòng)化控制技術(shù)研究

[摘 要]為滿足綜采工作面對(duì)采煤機(jī)的需求，文章以采煤機(jī)自動(dòng)化控制技術(shù)為研究對(duì)象，開發(fā)了采煤機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能自動(dòng)監(jiān)控采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，識(shí)別采煤機(jī)的潛在故障，還可根據(jù)綜采工作面的作業(yè)需求，靈活調(diào)節(jié)采煤機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

[關(guān)鍵詞]綜采工作面；采煤機(jī)；自動(dòng)化控制

[中圖分類號(hào)]TD632.1 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2024）12–0018–03

Automated Control Technology for Coal Mining Machine in Fully Mechanized Mining Face

REN Leiqiang，YANG Pengxiao

[Abstract]In order to improve the demand for coal mining machines in comprehensive mining work， this article takes coal mining machine automation control technology as the research object and develops a coal mining machine automation control system. This system can automatically monitor the operating status of the coal mining machine， identify potential faults of the coal mining machine， and flexibly adjust the operating parameters of the coal mining machine according to the operational needs of the fully mechanized mining face， which has high practical value.

[Keywords]fully mechanized mining face； coal mining machine； automated control

1 綜采工作面對(duì)采煤機(jī)自動(dòng)化控制技術(shù)的需求

采煤機(jī)是一種采掘煤炭時(shí)使用的大型機(jī)械設(shè)備，在正式作業(yè)中主要將支架設(shè)置在煤層上方，用以支撐煤層重量，并將切割機(jī)構(gòu)的截齒伸入煤層，完成對(duì)煤炭的切割。在采煤機(jī)的物理機(jī)構(gòu)中，截齒是重要的工作部件，主要通過高速旋轉(zhuǎn)來達(dá)到切割煤炭的作用。截齒通過旋轉(zhuǎn)在煤層上完成切割，而切割結(jié)構(gòu)的牽引裝置在運(yùn)行時(shí)會(huì)帶動(dòng)截齒移動(dòng)，使煤層被切割為若干小塊掉落在采煤機(jī)的輸送機(jī)上，經(jīng)輸送機(jī)運(yùn)輸至指定位置。傳統(tǒng)采煤機(jī)在綜采工作面上需要工作人員進(jìn)行手動(dòng)操作，易受切割時(shí)產(chǎn)生的大量煤粉影響，面臨視野受阻的問題，并且空氣中煤粉含量達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)后，還存在一定的安全隱患。所以研發(fā)一款具備遠(yuǎn)程控制、實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，對(duì)改進(jìn)傳統(tǒng)采煤機(jī)存在的不足具有重要意義。

2 綜采工作面采煤機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的基本架構(gòu)

文章研究的綜采工作面采煤機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要由設(shè)備層、控制層和管理層組成，不同層級(jí)在系統(tǒng)中發(fā)揮著不同的作用。采煤機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

設(shè)備層主要由各類傳感器和執(zhí)行器等組成，其中傳感器主要有溫度傳感器、甲烷傳感器、CO傳感器等，而執(zhí)行器主要由采煤機(jī)和液壓支架等組成，該層主要負(fù)責(zé)采集作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境參數(shù)，并對(duì)采煤機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制?？刂茖又饕煽刂破骱徒粨Q機(jī)組成，主要功能是處理系統(tǒng)采集的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的采煤機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，并通過以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。管理層由監(jiān)控管理和數(shù)據(jù)服務(wù)等功能模塊組成，主要面向用戶提供采煤機(jī)運(yùn)行過程的監(jiān)控、管理、優(yōu)化等功能，提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析、決策等多樣化服務(wù)。該系統(tǒng)的通信主要以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)共享。

2.1 控制器設(shè)計(jì)

在綜采工作面中，煤層的地質(zhì)特點(diǎn)具有動(dòng)態(tài)變化的特征，在截割過程中會(huì)涉及采煤機(jī)采高與牽引速度的調(diào)整問題，只有這樣才能適應(yīng)煤層的變化，提高采煤機(jī)的作業(yè)效率。

在傳統(tǒng)控制模式中，采煤機(jī)的自動(dòng)化控制主要采用PID控制技術(shù)，這種控制方式主要根據(jù)微分常數(shù)、積分、比例等來實(shí)現(xiàn)參數(shù)調(diào)節(jié)，在控制精度上有著顯著優(yōu)勢(shì)。但在綜采工作面中，基于PID控制的自動(dòng)化調(diào)節(jié)過程存在一定隨機(jī)性，并且PID系統(tǒng)控制缺乏良好的非線性表現(xiàn)，響應(yīng)系統(tǒng)隨機(jī)變化的時(shí)間較長(zhǎng)，可能無法滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的要求。針對(duì)上述問題，文章研究了新的自動(dòng)化控制方式，其在控制過程中不用獲取采煤機(jī)被控制對(duì)象的運(yùn)行特點(diǎn)，只需根據(jù)采煤機(jī)在運(yùn)行時(shí)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，就能對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行賦值，支持系統(tǒng)自動(dòng)地對(duì)采煤機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，控制器主要通過接收來自傳感器傳遞的各類數(shù)字信號(hào)，在自動(dòng)處理數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上，自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)，在提高控制精度的基礎(chǔ)上，提高控制效果，以便在面對(duì)不同地質(zhì)條件的煤層時(shí)能夠提高采煤機(jī)對(duì)作業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性。

控制器通過接收機(jī)械運(yùn)行的基本參數(shù)，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制提供依據(jù)，以此提高采煤機(jī)的控制精度和控制效率，其作為采煤機(jī)的核心在通過傳感器采集數(shù)據(jù)信息后，將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)信息與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，或者建立數(shù)學(xué)模型來辨識(shí)求解，能自動(dòng)地對(duì)采煤機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

2.2 電路設(shè)計(jì)

（1）電源電路。以采煤機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)運(yùn)行需求為導(dǎo)向，設(shè)計(jì)提供3.3 V、5 V和24 V的直流電源。在電源電路中，5 V電源與串口通信電路連接，為USB到串口轉(zhuǎn)換電路供電；3.3 V電源由5 V電源轉(zhuǎn)換獲得，利用AMS1117芯片轉(zhuǎn)換電源幅值，主要為按鍵電路、傳感器電路等供電；24 V電源為外部開關(guān)電源，主要為控制器供電，具備支持控制信號(hào)放大的功能。

（2）復(fù)位電路。其主要功能是讓電路恢復(fù)至最初狀態(tài)，便于重新控制電路。該系統(tǒng)一般在電路剛通電，或者手動(dòng)操作時(shí)進(jìn)行復(fù)位操作，避免上次操作對(duì)此次操作造成影響，預(yù)防程序跑飛的問題，也避免電路陷入死循環(huán)無法自動(dòng)退出。

（3）下載電路。其主要功能是為控制器燒錄程序，將提前編寫的算法下載至控制器。在系統(tǒng)電路中，串口與JTAG都支持向控制器下載程序，但串口只支持程序下載，無法保證下載速度，而JTAG除了能快速下載程序外，還具備在線調(diào)試的功能，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)程序中存在的bug，所以該系統(tǒng)的下載電路選用JTAG接口。

（4）串口通信電路。該電路的功能是將硬件電路采集的信息傳遞給計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)顯示屏上顯示采煤機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)，便于用戶及時(shí)讀取各類數(shù)據(jù)，而各項(xiàng)數(shù)據(jù)的傳輸主要通過信號(hào)線來完成。文章的串口通信接口選用RS232協(xié)議，而計(jì)算機(jī)USB接口選用USB2.0協(xié)議，為支持雙向的數(shù)據(jù)傳輸，還需要設(shè)計(jì)從串口到USB的轉(zhuǎn)換電路。

2.3 傳感器設(shè)置

該采煤機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的傳感器，以電流、溫度、位置、傾角、瓦斯傳感器為主，各類傳感器布置在采煤機(jī)的特定位置，或者綜采工作面的安全位置。部分傳感器除了具備信號(hào)采集功能外，還可以通過與其他部件的協(xié)同，向采煤機(jī)下達(dá)一定的控制指令。如系統(tǒng)設(shè)置發(fā)射器和接收器，負(fù)責(zé)采集紅外信號(hào)，能感知采煤機(jī)滾筒的位置，并通過位置傳感器下達(dá)指令，控制采煤機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

在設(shè)置傳感器時(shí)，設(shè)計(jì)人員要重點(diǎn)考慮采煤機(jī)自動(dòng)化控制對(duì)傳感器設(shè)置的要求，通常要考慮綜采工作面安全作業(yè)的問題。以瓦斯傳感器為例，通過設(shè)置一定數(shù)量的瓦斯傳感器，可實(shí)時(shí)感知工作環(huán)境中的瓦斯?jié)舛龋瑢@取的測(cè)量數(shù)據(jù)通過無線信號(hào)傳遞給自動(dòng)化控制系統(tǒng)，由接收器對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析。

3 綜采工作面采煤機(jī)自動(dòng)化控制技術(shù)的應(yīng)用策略

3.1 自動(dòng)化監(jiān)控

3.3 故障自動(dòng)診斷

在綜采工作面中，采煤機(jī)的故障診斷主要將粉塵、溫度、濕度等數(shù)據(jù)作為監(jiān)測(cè)重點(diǎn)，具體故障診斷流程如圖2所示。

采煤機(jī)在運(yùn)行過程中，主要通過上述流程實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的故障診斷等情況，通過實(shí)時(shí)顯示故障診斷相關(guān)數(shù)據(jù)，為工作人員判斷采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、系統(tǒng)預(yù)警等提供有力支持。

（1）利用布置在采煤機(jī)上的傳感器，實(shí)時(shí)獲取和遠(yuǎn)程傳輸傳感器采集的信號(hào)參數(shù)，為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)過濾、處理、解析、判斷和決策等提供支持。

（2）利用電液控制系統(tǒng)對(duì)液壓支架進(jìn)行監(jiān)控，支架運(yùn)行參數(shù)主要包括支架動(dòng)作參數(shù)、傳感器參數(shù)、故障報(bào)警參數(shù)等，通過對(duì)傳感器的動(dòng)作進(jìn)行編碼，優(yōu)先發(fā)送正在發(fā)生變化的傳感器數(shù)值，及時(shí)對(duì)故障信息進(jìn)行判斷。

（3）系統(tǒng)自動(dòng)采集各類設(shè)備的故障信息，在識(shí)別故障后及時(shí)預(yù)警，利用聯(lián)動(dòng)自動(dòng)模式促進(jìn)各設(shè)備進(jìn)行故障自檢，并向用戶發(fā)送相應(yīng)的故障報(bào)警提示信息，為采煤機(jī)的自動(dòng)控制和故障檢修等工作提供可靠支持。

4 結(jié)束語

綜采工作面采煤機(jī)的自動(dòng)化控制，除了能提高煤礦開采量外，還能保證煤礦開采效率和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的安全性。在綜采工作面中，采煤機(jī)的控制性能，在一定程度上決定了綜采工作面的整體作業(yè)情況。文章研究的采煤機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，除了可以通過傳感器和攝像頭捕捉相應(yīng)的數(shù)據(jù)與圖像外，還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采煤機(jī)的運(yùn)行狀況，一發(fā)現(xiàn)問題可以立即委派工作人員進(jìn)行處理，降低不良因素可能給采煤機(jī)正常運(yùn)行造成的影響，通過自動(dòng)化處理與分析，提高采煤機(jī)的整體能力，以便更好地為綜采工作面的工作提供保障。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳利德.薄煤層綜采工作面自動(dòng)化系統(tǒng)綜合應(yīng)用與研究[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2023（7）：48-50.

[2] 王治.綜采工作面采煤機(jī)記憶截割自動(dòng)化控制技術(shù)研究[J].機(jī)械管理開發(fā)，2022，37（7）：206-207，214.

[3] 李學(xué)兵.綜采工作面采煤機(jī)自動(dòng)化控制技術(shù)研究[J].機(jī)械管理開發(fā)，2022，37（4）：275-277.

[4] 馬良慧.綜采工作面自動(dòng)化技術(shù)在山寨煤礦的應(yīng)用[J].中國(guó)煤炭工業(yè)，2020（9）：64-65.

[5] 王克泰.煤礦綜采工作面自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用研究[J].石化技術(shù)，2020，27（8）：252，294.