姜慶學(xué)，王海艦

（1.本鋼設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 本溪 117000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 阜新 123000）

0 引言

綜采工作面采煤機(jī)在截割煤巖過程中，由于每層走向錯(cuò)綜復(fù)雜，在截割過程中常常會遇到巖石斷層或煤層夾矸的情況[1，2]，通常采用的方法是隨煤層一同截割，保證其進(jìn)給速度和出煤產(chǎn)量。但由于滾筒截齒在由煤層過渡到巖層時(shí)，其截割硬度發(fā)生巨大變化，導(dǎo)致采煤機(jī)截齒受到的載荷發(fā)生突變，對截齒的磨損程度和剩余壽命影響較大[3]，嚴(yán)重時(shí)還會發(fā)生斷齒現(xiàn)象[4]，造成采煤機(jī)在截割過程中振動幅度增大，不但降低滾筒的截割效率，還會對整個(gè)采煤機(jī)的工作性能和使用壽命造成影響[5，6]，因此實(shí)現(xiàn)對綜采工作面煤巖層的有效快速識別，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒高度的快速調(diào)整，對延長綜采工作面采煤機(jī)的使用壽命，降低礦山經(jīng)濟(jì)投入和提高煤炭輸出效率具有深遠(yuǎn)的意義。

1 功率微變化煤巖識別方法

1.1 采煤機(jī)功率信號的采集

采煤機(jī)在截割過程中雖然普遍存在 “大馬拉小車”的現(xiàn)象，即采用大轉(zhuǎn)矩進(jìn)給截割方法，但其在截割煤、巖過程中，其有功功率勢必發(fā)生微小變化，因此，通過對采煤機(jī)截割過程中有功功率的實(shí)時(shí)檢測，信號放大處理和分析，就會得到采煤機(jī)在截割煤、巖過程中的特征變化，因而實(shí)現(xiàn)對煤巖界面的有效識別。

采煤機(jī)功率檢測系統(tǒng)分為檢測和采集兩個(gè)部分。檢測元件采用EDA9033A 電參數(shù)采集模塊，它可以實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)的電壓，電流，有功功率，功率因數(shù)等多個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)采集，由于采煤機(jī)在工作過程中電流較大，因此還需增設(shè)有電流互感器模塊，將電流互感器分別套在滾筒驅(qū)動電機(jī)的三相線進(jìn)線端上，再將其與電參數(shù)采集模塊鏈接，電參數(shù)采集模塊布線方法如圖1 所示。

圖1 EDA9033A 電參數(shù)采集模塊布線方法Fig.1 EDA9033A electrical parameter acquisition module wiring method

系統(tǒng)的采集部分采用S7-200 可編程序控制器作為CPU，其型號為224XP CN，共含有兩個(gè)九針通訊串口，可實(shí)現(xiàn)對電參數(shù)信號的實(shí)時(shí)采集與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理。可編程序控制器與電參數(shù)采集模塊通過RS-485 總線連接，采用MUDBUS 通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)其數(shù)據(jù)通訊?？删幊绦蚩刂破髦休d入編寫好的電參數(shù)模塊數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換程序，實(shí)現(xiàn)對各項(xiàng)電參數(shù)的實(shí)時(shí)采集與處理。其核心采集程序如圖2 所示。

1.2 煤巖識別特征樣本提取

由于采煤機(jī)截割過程中其截割功率發(fā)生的是微小變化，因此需要對煤、巖以及煤巖混合界面截割過程中的功率信號進(jìn)行分別檢測，得到采煤機(jī)不同截割工況下有功功率信號的變化規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的自動調(diào)高控制提供依據(jù)和方法。因此，采用實(shí)驗(yàn)室等比例模擬截割實(shí)驗(yàn)方法，分別構(gòu)建全煤、全巖和半煤半巖三種煤巖試件，分別對滾筒截割煤巖比例為全煤、煤巖比為4:1、2:1、1:1、1:2、1:4 以及全巖七種工況下煤巖界面截割時(shí)的有功功率數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，得到的有功功率數(shù)據(jù)如表1 所示。

2 采煤機(jī)自調(diào)高模糊控制系統(tǒng)

煤巖界面的識別是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自動調(diào)高控制的關(guān)鍵技術(shù)，采用模糊控制方法實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的自動調(diào)高控制，能夠大大提高采煤機(jī)系統(tǒng)的控制精度。

2.1 最小模糊度隸屬度函數(shù)

在信息理論中，信息熵是一個(gè)一般性的概念，它度量了系統(tǒng)或信息的不確定性，是基于概率函數(shù)；而在模糊理論里，熵被用來測量模糊集或模糊系統(tǒng)信息的模糊程度，基于隸屬度函數(shù)[7]。分明集（0、1）是不模糊的，其模糊熵為0；0.5 是隸屬性最難確認(rèn)的模糊集，因此，0.5的模糊性最大。

圖2 電參數(shù)核心采集程序Fig.2 Electrical parameters of core collection procedures

表1 不同煤巖截割比例的有功功率特征樣本值Tab.1 Different coal cutting ratio of the active power characteristics of samples

由表1 可知系統(tǒng)的模糊集X 共有56 個(gè)特征樣本，其隸屬度函數(shù)分別為A（xi），則其模糊熵E（A）的表達(dá)式為：

式中： k 為大于0 的常數(shù)，通常取值為1/n，n 為模糊系統(tǒng)中所有特征樣本的個(gè)數(shù)。根據(jù)最小模糊度原則[8]，采用Matlab 編程對隸屬度函數(shù)的未知參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，得到優(yōu)化后的隸屬度函數(shù)如圖3 所示。

圖3 優(yōu)化后的模糊隸屬度函數(shù)圖Fig.3 The optimized fuzzy membership function chart

2.2 模糊控制調(diào)高系統(tǒng)

圖4 采煤機(jī)煤巖識別與自動調(diào)高模糊控制系統(tǒng)Fig.4 Shearer coal-rock identification and automatic adjusting fuzzy control system

基于煤巖識別的采煤機(jī)滾筒模糊控制調(diào)高系統(tǒng)控制原理如圖4 所示，采用雙重模糊系統(tǒng)方法，通過對實(shí)時(shí)截割有功功率的模糊化，模糊規(guī)則查詢以及解模糊[9]，識別當(dāng)前的實(shí)時(shí)煤巖截割比例，計(jì)算出與全煤比例狀態(tài)的偏差E 及偏差變化率Ec，采用二維模糊控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)滾筒的精確調(diào)高控制[10]。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證基于有功功率煤巖識別自動調(diào)高控制系統(tǒng)的精確性與可靠性，實(shí)驗(yàn)室建立隨機(jī)煤巖分布軌跡的相似材料試件進(jìn)行截割實(shí)驗(yàn)，得到的截割軌跡如圖5 所示，由圖5 可以看出，基于有功功率煤巖識別的自動調(diào)高控制系統(tǒng)可根據(jù)煤巖界面的變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)滾筒高度，滾筒截割軌跡與煤巖界面軌跡基本一致，部分截割偏差可能受滾筒調(diào)高系統(tǒng)的滯后性影響，結(jié)果表明系統(tǒng)具有非常好的動態(tài)性能。

4 結(jié)論

圖5 實(shí)驗(yàn)截割軌跡Fig.5 The experiment cutting track

（1）采用基于有功功率微變檢測方法實(shí)現(xiàn)煤巖界面的有效識別，分析了采煤機(jī)截割功率的數(shù)據(jù)采集方法，對采煤機(jī)截割過程中的實(shí)時(shí)有功功率特征樣本進(jìn)行提取，建立基于最小模糊度的隸屬度函數(shù)優(yōu)化模型。

（2）采用模糊識別與模糊控制雙重模糊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)截割過程中的煤巖動態(tài)識別與滾筒自動調(diào)高控制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于有功功率微變檢測的采煤機(jī)煤巖識別系統(tǒng)具有較高的精確度和可靠性，調(diào)高控制效果顯著，具有非常好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

[1] 李駿，林福嚴(yán).跟機(jī)自動化中采煤機(jī)自動控制方法研究[J].工礦自動化，2014，2.

[2] 劉春生，荊凱，楊秋.采煤機(jī)滾筒調(diào)高截割記憶程控的控制策略[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，5.

[3] 李曉豁，姜麗麗. 硬巖掘進(jìn)機(jī)截齒與齒座的有限元分析[J].黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，3.

[4] 李勇，李夕兵.鎬形截齒硬巖截割磨損研究[J]. 礦業(yè)研究與開發(fā)，2012，6.

[5] 周建平，王海艦. 綜采面采煤機(jī)噴霧降塵控制系統(tǒng)改進(jìn)優(yōu)化研究[J].機(jī)電工程，2015，2.

[6] 趙麗娟，陳穎，董萌萌.滾筒截齒對采煤機(jī)截割部工作可靠性的影響研究[J].現(xiàn)代制造工程，2010，12.

[7] 張鑫，牟龍華.基于信息融合的礦山電網(wǎng)復(fù)合保護(hù)的研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2012，11.

[8] 劉曉明，牟龍華，張鑫.基于信息融合的隔爆開關(guān)永磁機(jī)構(gòu)儲能電容失效診斷[J].煤炭學(xué)報(bào)，2014，10.

[9] 馬云龍，章瑋.開關(guān)磁阻電機(jī)的模糊自適應(yīng)簡化控制[J].機(jī)電工程，2014，1.

[10] 李曉慶，王海艦.基于模糊PID 與智能聯(lián)動控制的空壓機(jī)恒壓供氣系統(tǒng)[J].機(jī)電工程，2015，3.