聶龍飛

（西山煤電多種經(jīng)營總公司機(jī)電修造園區(qū)科技發(fā)展分公司， 山西 太原 030053）

引言

隨著煤炭開采自動(dòng)化和智能化的發(fā)展，礦井開采效率日漸提高，同時(shí)開采技術(shù)的機(jī)械化水平也愈加成熟，以采煤機(jī)為主的割煤設(shè)備的自動(dòng)化水平提高明顯。雖然各大礦井在開采過程中均實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)的自動(dòng)割煤工作，但很少有對采煤機(jī)端頭自動(dòng)截割系統(tǒng)的研究[1]。目前，在礦井工作面中部區(qū)間的自動(dòng)截割控制中對記憶截割方式的應(yīng)用較廣，但在工作面的端頭位置采煤機(jī)需要重復(fù)兩個(gè)進(jìn)刀循環(huán)作業(yè)才可以實(shí)現(xiàn)斜切進(jìn)刀割煤的工作，工作面中部的自動(dòng)截割方式與端部的截割方式不匹配[2-3]，故對采煤機(jī)端頭記憶截割系統(tǒng)的研究尤為重要，對工作面端頭的開采以及礦井的可持續(xù)發(fā)展均具有重要意義。筆者進(jìn)行了采煤機(jī)端頭記憶截割系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，通過上位機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)對其中的各個(gè)模塊進(jìn)行了功能分析，從而驗(yàn)證端頭記憶截割系統(tǒng)的可行性。

1 試驗(yàn)平臺介紹

本次試驗(yàn)所搭建的上位機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)包括上位機(jī)、操控臺、PLC控制系統(tǒng)以及制造的采煤機(jī)等效模型。研究的采煤機(jī)端頭記憶截割系統(tǒng)的各個(gè)模塊為定位模塊、負(fù)載平衡模塊、截割路徑記憶模塊以及跟蹤模塊。上位機(jī)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測試驗(yàn)時(shí)采煤機(jī)行走過程中的參數(shù)[4]；操控臺可以實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)行走的人工操控，具體內(nèi)容有采煤機(jī)的啟停、行走速率以及割煤高度等參數(shù)；PLC控制系統(tǒng)是采煤機(jī)動(dòng)力的來源，具有高靈敏度以及擴(kuò)展度的特點(diǎn)；本次試驗(yàn)所用的采煤機(jī)模型與真實(shí)采煤機(jī)比例為1∶11，采煤機(jī)模型的調(diào)高原理以及運(yùn)行原理等與真實(shí)采煤機(jī)如出一轍，在調(diào)高過程中可通過傾角傳感器采集搖臂姿態(tài)，而行走過程中也可以實(shí)現(xiàn)精確定位，上位機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 上位機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

在本次試驗(yàn)中，PLC控制系統(tǒng)可以將采煤機(jī)行走割煤過程的參數(shù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)不僅可以對收到的信號進(jìn)行處理和顯示，還可以對操控命令進(jìn)行研究和處理，從而將控制命令傳輸?shù)絇LC控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)的控制。上位機(jī)主要顯示兩大部分：主要運(yùn)行參數(shù)和控制命令，前者顯示了采煤機(jī)行走割煤過程的主要參數(shù)，后者實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)運(yùn)行的操控，如圖2所示。

圖2 上位機(jī)顯示界面示意圖

2 試驗(yàn)方案分析

本次試驗(yàn)是為了通過上位機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)對其中的各個(gè)模塊進(jìn)行功能分析，從而驗(yàn)證端頭記憶截割系統(tǒng)的可行性，故采集數(shù)據(jù)主要為采煤機(jī)的行走位置、采煤機(jī)搖臂傾角以及行走速率。試驗(yàn)過程中，剛開始實(shí)驗(yàn)員需要控制操控臺使得采煤機(jī)往返行走幾次，對采煤機(jī)在工作面端頭的正向割煤、反向斜切進(jìn)刀以及又一次正向割煤過程進(jìn)行模擬，從而對割三角煤工作進(jìn)行初步分析；在模擬過程中PLC控制系統(tǒng)會(huì)采集到采煤機(jī)行走的位置以及采煤機(jī)姿態(tài)等數(shù)據(jù)，進(jìn)而傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)對采煤機(jī)截割信息進(jìn)行插補(bǔ)擬合后又傳輸?shù)絇LC控制系統(tǒng)中，然后采煤機(jī)會(huì)基于上位機(jī)發(fā)出的指令自動(dòng)割煤，如圖3所示。

圖3 采煤機(jī)截割路徑跟蹤試驗(yàn)示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)室模擬的采煤機(jī)端頭記憶截割路徑如圖4所示，從圖中可以看出，跟蹤路徑與目標(biāo)路徑幾乎重合，說明采煤機(jī)端頭記憶截割的跟蹤路徑效果顯著，可以滿足采煤機(jī)的智能控制需求。

圖4 采煤機(jī)端頭記憶截割路徑示意圖

圖5 顯示了本次試驗(yàn)采煤機(jī)行走過程中滾筒的調(diào)節(jié)狀況，圖4中采煤機(jī)機(jī)身位置在2m以內(nèi)采煤搖臂傾角逐步調(diào)高至穩(wěn)定，對應(yīng)圖5中的（a）和（b），也就是采煤機(jī)在工作面端頭正向截割過程（調(diào)高左滾筒和下降右滾筒）；采煤機(jī)機(jī)身位置在2～4 m之間搖臂傾角逐步下調(diào)，對應(yīng)圖5中的（c）和（d），也就是采煤機(jī)在工作面端頭反向斜切進(jìn)刀割煤過程（下降左滾筒和調(diào)高右滾筒）；采煤機(jī)機(jī)身位置在4 m之后搖臂傾角先升后降，對應(yīng)圖5中的（e）和（f），也就是采煤機(jī)在工作面端頭又一次正向割煤過程（下降右滾筒和調(diào)高左滾筒）。

圖5 采煤機(jī)行走過程中滾筒的調(diào)節(jié)狀況示意圖

4 工業(yè)性試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證上述試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可行性，在山西某礦井工作面進(jìn)行了采煤機(jī)端頭記憶截割系統(tǒng)的試驗(yàn)，現(xiàn)場構(gòu)建的系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 采煤機(jī)端頭記憶截割系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗(yàn)示意圖

該礦井綜采面為近水平煤層，煤層平均厚度為4.25 m，在工作面中該系統(tǒng)的布置情況如圖7所示。

圖7 采煤機(jī)端頭記憶截割系統(tǒng)現(xiàn)場布置示意圖

采煤機(jī)在工作面端頭和中部的割煤方式是不同的，在綜采面端部每進(jìn)行一次斜切進(jìn)刀都會(huì)沿著煤壁推進(jìn)2個(gè)截深。本次在該工作面截割的第11刀到第14刀截深范圍內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，認(rèn)為在試驗(yàn)過程中工作面端頭的底板是平整的，不會(huì)影響采煤機(jī)的正常截割行走作業(yè)。具體操作為：在截割的第11刀到第12刀截深范圍內(nèi)人工操作，進(jìn)行端頭的采煤機(jī)斜切進(jìn)刀工作，在此次過程中記錄采煤機(jī)的運(yùn)行參數(shù)；在截割的第13刀到第14刀截深范圍內(nèi)采煤機(jī)就可以自動(dòng)進(jìn)行端頭的斜切進(jìn)刀工作，這樣智能監(jiān)控系統(tǒng)就可以對該過程中采煤機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行分析，從而對采煤機(jī)端頭記憶截割系統(tǒng)各個(gè)模塊的工作穩(wěn)定性情況進(jìn)行驗(yàn)證。

在現(xiàn)場實(shí)測過程中，采煤機(jī)的運(yùn)行參數(shù)可分為動(dòng)作記憶點(diǎn)和常規(guī)記憶點(diǎn)，當(dāng)采集到的記憶點(diǎn)發(fā)生失真，則對該點(diǎn)剔除同時(shí)進(jìn)行重新記憶，表1顯示了第11刀截深范圍內(nèi)采集到的記憶點(diǎn)，圖8對這些點(diǎn)進(jìn)行了繪制。

表1 第11刀截深范圍內(nèi)采集到的部分記憶點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表

圖8 第11刀截深范圍內(nèi)記憶點(diǎn)變化示意圖

將記憶點(diǎn)和上位機(jī)對采煤機(jī)調(diào)控的信號傳輸?shù)絇LC控制系統(tǒng)后，可以使得采煤機(jī)自動(dòng)進(jìn)行割煤工作。人工操控采煤機(jī)割煤過程中滾筒電機(jī)電流和采煤機(jī)行走速率的變化趨勢如圖9的（a）和（b）所示，而調(diào)控后采煤機(jī)自動(dòng)割煤過程中電機(jī)電流和牽引速率如圖10的（a）和（b）所示。比較圖9和圖10后可得，調(diào)控后采煤機(jī)滾筒電機(jī)電流較調(diào)控前要明顯減小，也就是調(diào)控后采煤機(jī)端頭所受載荷減小，保證了采煤機(jī)工作的穩(wěn)定性。

圖9 人工操控采煤機(jī)割煤過程中參數(shù)變化示意圖

圖10 調(diào)控后采煤機(jī)自動(dòng)割煤過程中參數(shù)變化示意圖

5 結(jié)語

結(jié)果表明，采煤機(jī)端頭記憶截割對目標(biāo)路徑的自動(dòng)跟蹤效果好，并且通過山西某礦井工作面的現(xiàn)場試驗(yàn)，證明了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和現(xiàn)場可行性。