周丹

摘 要：刨煤機(jī)采煤工藝適用于薄煤層的開采，其自動(dòng)化的強(qiáng)度決定著生產(chǎn)效率的高低和礦工的勞動(dòng)強(qiáng)度，文章在介紹刨煤機(jī)采煤工藝自動(dòng)控制原理的基礎(chǔ)上，闡述了鐵煤集團(tuán)公司應(yīng)用刨煤機(jī)采煤自動(dòng)化程度的現(xiàn)狀、原因和解決方案，并針對(duì)提升刨煤機(jī)采煤工藝自動(dòng)控制的“軟特性”進(jìn)行了初步探討，提出了在刨煤機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)中加入負(fù)反饋，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。利用閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，既可以減少外界干擾信號(hào)，還可以提高實(shí)時(shí)校正的功能。

關(guān)鍵詞：刨煤機(jī)；采煤工藝；自動(dòng)控制；閉環(huán)控制

鐵煤集團(tuán)作為一家已走過了50余年的大型現(xiàn)代化煤炭開采企業(yè)，在目前煤炭行業(yè)整體陷入經(jīng)濟(jì)效益與發(fā)展下滑的不利條件下，鐵煤集團(tuán)面臨著資源萎縮，利潤空間縮小，迫切需要降低噸煤回采成本，采用刨煤機(jī)采煤工藝自動(dòng)化便具有了重要的意義，首先采用刨煤機(jī)采煤工藝以適應(yīng)薄煤層的開采要求，同時(shí)借助自動(dòng)化控制可以實(shí)現(xiàn)減少采煤工作面作業(yè)人員，減少人員在小采高工作面操作作業(yè)的困難局面，保證回采作業(yè)安全等。還可以減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度與工作條件，降低采煤人力資源成本，提高經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

1 刨煤機(jī)采煤工藝自動(dòng)控制的基本原理

在20世紀(jì)40年代初期出現(xiàn)刨煤機(jī)工作面以來，刨煤機(jī)從手動(dòng)操縱和人工翻打支柱，到無人操作的自動(dòng)控制，刨煤機(jī)的自動(dòng)化采煤工藝一直在飛速發(fā)展。早在20世紀(jì)70年代，德國魯爾集團(tuán)DBT公司把計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)與刨煤機(jī)械聯(lián)系到一起，即開發(fā)全自動(dòng)控制的刨煤機(jī)。至20世紀(jì)80年代在德國已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，此項(xiàng)技術(shù)是目前世界上最先進(jìn)的薄煤層開采技術(shù)，一般月產(chǎn)都在幾十萬噸[ 1 ]。

全自動(dòng)控制的刨煤機(jī)最大的特點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化操作，即破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、輸送機(jī)、刨煤機(jī)的起動(dòng)和停止實(shí)現(xiàn)了集中控制，以及輸送機(jī)的推移以及液壓支架的前移實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)操作，刨煤機(jī)的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)的往返。

刨煤機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由PROMOS系統(tǒng)和PM4系統(tǒng)組成，如圖1所示。

PROMOS系統(tǒng)主要是收集各種傳感器元件信號(hào)進(jìn)行處理后對(duì)破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、輸送機(jī)、刨煤機(jī)的開關(guān)進(jìn)行控制。而PM4系統(tǒng)則收集PROMOS系統(tǒng)中位置信號(hào)對(duì)支架進(jìn)行升架、降架、拉架、推溜的4種基本操作，并通過各種參數(shù)配置和邏輯運(yùn)算對(duì)支架進(jìn)行更進(jìn)一步的動(dòng)作。PROMOS系統(tǒng)主要由控制盤、輔助控制器、終端感性元件、執(zhí)行元件、急停、電話等部件組成。主要的信號(hào)識(shí)別、位置判斷、執(zhí)行元件的開啟關(guān)閉等邏輯運(yùn)算由主控制器完成。可以把主控制器看成是PROMOS系統(tǒng)的核心部分，而PM4系統(tǒng)除收集位置信號(hào)外，還對(duì)本身的壓力傳感器和測控桿數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，用以完成支架適應(yīng)任何生產(chǎn)條件的動(dòng)作。兩套系統(tǒng)以刨頭位置信號(hào)為依托并形成開環(huán)控制。在這種開環(huán)控制的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，由于開環(huán)控制系統(tǒng)的本身的輸出量不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的控制作用發(fā)生影響，因此不具備自動(dòng)修正的能力，也就是說系統(tǒng)本身的輸入包含給定值輸入和干擾輸入，必然會(huì)導(dǎo)致支架操作會(huì)受環(huán)境的影響而出現(xiàn)誤差[2-3]。

2 鐵煤集團(tuán)公司刨煤機(jī)采煤工藝自動(dòng)化控制的發(fā)展現(xiàn)狀

為適應(yīng)薄煤層開采的需要，鐵煤集團(tuán)公司幾年來先后與德國公司及國內(nèi)三一重工合作引進(jìn)了幾套刨煤機(jī)綜采設(shè)備，到目前為止計(jì)有4套德國產(chǎn)刨煤機(jī)設(shè)備及1套三一重工產(chǎn)刨煤機(jī)設(shè)備在用，從各礦的實(shí)際應(yīng)用情況看，在自動(dòng)化控制的實(shí)現(xiàn)程度上存在著較大的問題，主要表現(xiàn)為未按照設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)完全的自動(dòng)控制，而是人工控制與自動(dòng)控制并存的不完全自動(dòng)控制。這就影響制約了自動(dòng)化控制優(yōu)越性的充分實(shí)現(xiàn)。從綜采三大設(shè)備看，刨煤機(jī)與刮板運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制，而液壓支架的操作則基本依靠人工操作。

總體上看自動(dòng)控制的刨煤機(jī)采煤工藝的優(yōu)越性還沒有充分發(fā)揮出來，有必要對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的分析解決。

3 導(dǎo)致鐵煤集團(tuán)公司刨煤機(jī)采煤工藝自動(dòng)控制沒有完全實(shí)現(xiàn)的原因分析

分析起來刨煤機(jī)采煤工藝不完全自動(dòng)控制的原因主要有以下4個(gè)方面：（1）在漫長的地質(zhì)年代里自然形成的煤層其賦存條件是復(fù)雜多變且呈非線性變化的，如煤層的厚度、頂板、底板均顯現(xiàn)出一定的起伏變化，而按照非理想工作條件——但實(shí)質(zhì)上卻仍屬有限的預(yù)定的設(shè)計(jì)條件——進(jìn)行設(shè)計(jì)的刨煤機(jī)采煤設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)必然客觀上無法適應(yīng)千變?nèi)f化的煤層賦存條件；例如底板的非規(guī)則性變化必然導(dǎo)致液壓支架彼此之間相對(duì)位置關(guān)系的非規(guī)范化。（2）刨煤機(jī)采煤工藝配套設(shè)備的自動(dòng)控制系統(tǒng)在適應(yīng)煤層賦存自然條件的柔性（或曰“適應(yīng)彈性儲(chǔ)備”）不足，或者說其適應(yīng)的條件參數(shù)過于有限的簡單剛性，缺乏更加充分的軟特性與智能化。（3）刨煤機(jī)采煤工藝設(shè)備在安裝、拆卸、運(yùn)輸、日常維護(hù)、管理等方面工作存在問題，導(dǎo)致設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)產(chǎn)生物質(zhì)性的部件損壞或系統(tǒng)軟件故障，造成自動(dòng)控制系統(tǒng)無法正常工作。（4）由于傳統(tǒng)觀念的落后，相關(guān)管理人員對(duì)自動(dòng)化的刨煤綜采設(shè)備對(duì)操作人員綜合素質(zhì)的高要求認(rèn)識(shí)不足，日常工作管理中仍然安排一般工人進(jìn)行操作。而操作人員的綜合素質(zhì)及操作技能較低不能適應(yīng)自動(dòng)化的刨煤綜采設(shè)備要求時(shí)必然造成人機(jī)系統(tǒng)不匹配。

4 實(shí)現(xiàn)刨煤機(jī)采煤工藝自動(dòng)控制的解決方案

根據(jù)前述分析，顯然要實(shí)現(xiàn)完全的刨煤機(jī)采煤工藝自動(dòng)化控制就必須從以下幾個(gè)方面采取措施：（1）全面加強(qiáng)刨煤機(jī)采煤設(shè)備使用操作、日常維護(hù)、檢修、安裝、拆除、運(yùn)輸?shù)葢?yīng)用過程各環(huán)節(jié)的系列管理，確保自動(dòng)控制系統(tǒng)正常運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。（2）與刨煤機(jī)采煤設(shè)備生產(chǎn)廠家合作對(duì)設(shè)備設(shè)計(jì)進(jìn)行全面的提升改造，增強(qiáng)設(shè)備的智能化，以使刨煤機(jī)采煤設(shè)備能夠自動(dòng)準(zhǔn)確地對(duì)煤層賦存條件參數(shù)等進(jìn)行 “定量式的識(shí)別”，并將之轉(zhuǎn)換為控制參數(shù)用以對(duì)設(shè)備工作狀態(tài)參量的修正調(diào)整。（3）與設(shè)備廠家合作對(duì)刨煤機(jī)采煤設(shè)備進(jìn)行軟特性提升設(shè)計(jì)，增強(qiáng)設(shè)備自動(dòng)控制的指標(biāo)范圍，不僅要求實(shí)現(xiàn)個(gè)體設(shè)備的運(yùn)動(dòng)控制，而且能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備之間的整體協(xié)調(diào)性控制，使之能夠適應(yīng)充滿變化的煤層。（4）實(shí)現(xiàn)刨煤機(jī)采煤設(shè)備操作人員高端化配置，以全面提升提高刨煤機(jī)采煤設(shè)備操作人員的專業(yè)素質(zhì)。

5 關(guān)于提升刨煤機(jī)采煤工藝自動(dòng)控制的“軟特性”初步探討

在實(shí)際生產(chǎn)采煤巷道中，刨煤機(jī)和輸送機(jī)的自動(dòng)化控制水平較高，液壓支架與輸送機(jī)的自動(dòng)化控制水平相對(duì)較弱，而刨煤機(jī)自動(dòng)控制軟特性的強(qiáng)弱主要是由PROMOS系統(tǒng)和PM4系統(tǒng)的程序算法決定的。在刨煤機(jī)工作面中，每臺(tái)PM4控制相應(yīng)的3臺(tái)支架，并時(shí)刻搜索每個(gè)支架上的壓力傳感器和行程傳感器的數(shù)據(jù)，結(jié)合刨煤機(jī)的位置作出相應(yīng)的支架動(dòng)作[4]。而液壓支架動(dòng)作結(jié)束后，會(huì)造成液壓支架彼此之間相對(duì)位置關(guān)系的非規(guī)范化，這就是PROMOS系統(tǒng)和PM4系統(tǒng)的開環(huán)控制造成的。如果在PM4系統(tǒng)發(fā)送給電磁閥閥芯一定的電壓值后，在通過先導(dǎo)閥作用于液壓閥上使支架動(dòng)作的過程中進(jìn)行負(fù)反饋處理，也就形成了兩套系統(tǒng)的閉環(huán)控制，不但避免了在開環(huán)控制系統(tǒng)中干擾輸入帶來的誤差，還會(huì)檢測出誤差，并可以對(duì)其進(jìn)行校正，如圖2所示。

MCU和PM4 SERVER負(fù)責(zé)收集全工作面信息和對(duì)PROMOS系統(tǒng)之間的聯(lián)系。MCU可根據(jù)收集信號(hào)形成反饋圖像，便于操作人員分析工作面情況。而PM4 SERVER則是MCU和普通PM4的交流接口，它不但可以取得PROMOS系統(tǒng)的刨頭位置數(shù)據(jù)，還可以對(duì)全工作面的其他PM4進(jìn)行狀態(tài)和參數(shù)的設(shè)定。PM4決定的支架動(dòng)作是通過PM4電磁閥完成的，每當(dāng)滿足支架的動(dòng)作條件時(shí)，PM4會(huì)發(fā)送給電磁閥閥心一個(gè)電壓值，使相應(yīng)閥心啟動(dòng)，然后通過先導(dǎo)閥作用于液壓閥上使支架動(dòng)作。在支架動(dòng)作的過程中，實(shí)時(shí)將支架的位置信號(hào)數(shù)據(jù)反饋給PM4 SEVER進(jìn)行負(fù)反饋計(jì)算，使外界干擾信號(hào)減為最小，并可以實(shí)時(shí)校正。

6 結(jié)語

薄煤層采煤，特別是近水平開采是井下最難于實(shí)現(xiàn)高效和人性化開采的，刨煤機(jī)采煤工藝的自動(dòng)化程度的提高不但減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，降低采煤的人力資源成本，還提高了經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益

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Analysis on the Way of Improving the Degree of Plough Mining Process Automation Control

Zhou Dan

（Liaoning Polytechnic Vocational College， Jinzhou 121007， China）

Abstract： Plough mining technology for thin seam mining， determines the strength of the automation of high and low production efficiency and lower the Labour strength of the miners， the article introduces the plough mining on the basis of the principle of automatic control technology， expounds the application TieMei group company plough mining automation degree of current situation， reasons and solutions， and aims at improve plough mining process of automatic control "soft" has carried on the preliminary discussion， put forward the coal planer automatic control system with negative feedback， to form a closed-loop control system. Using closed-loop automatic control system， can reduce the interference signal， also can improve the function of real-time correction.

Key words： coal plough； coal mining process； automatic control； closed-loop control