索智文，趙亦輝，周 展

(1.國家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司 高端設(shè)備研發(fā)中心，陜西 神木 719315；2.西安煤礦機(jī)械有限公司，陜西 西安 710000)

在我國的能源結(jié)構(gòu)中，煤炭一直占據(jù)主要主導(dǎo)地位。2018年煤炭行業(yè)發(fā)展年度報告指出，煤炭產(chǎn)量與消費(fèi)量同我國一次性能源生產(chǎn)和消費(fèi)量的占比首次下降至69.1%和59.0%，但基于我國富煤、貧油、少氣的能源現(xiàn)狀，煤炭仍將長期是我國的基礎(chǔ)能源[1]。盡管我國煤炭儲量巨大，但煤炭作為不可再生能源，煤炭的開采仍需遵循安全綠色開采、高效清潔利用的原則。神東煤炭集團(tuán)所處的神府煤田被稱為“煤海”，區(qū)域煤田儲量巨大、賦儲條件好。所屬上灣煤礦井田構(gòu)造形態(tài)簡單，可采煤高8.8m左右。過去的觀念是“有什么設(shè)備干什么活”，然而國內(nèi)外現(xiàn)階段尚沒有能夠滿足一次采高8.8m的成套開采設(shè)備，為提升回采率、避免資源浪費(fèi)，需進(jìn)行全新開發(fā)，改變觀念為“有什么工況做什么設(shè)備”。

神東煤炭集團(tuán)積極響應(yīng)國家發(fā)改委、工信部和能源局聯(lián)合發(fā)布的《中國制造2025—能源裝備實(shí)施方案》，大力發(fā)展綠色智能采掘洗選裝備，在積極推進(jìn)“機(jī)械化換人，自動化減人”基礎(chǔ)上，發(fā)展以“智能”為核心的發(fā)展戰(zhàn)略[2]，推動礦井智能化建設(shè)，提高利用效率，促進(jìn)安全生產(chǎn)。

當(dāng)前，國內(nèi)外在厚煤層及特厚煤層的綜采面智能化開采進(jìn)展緩慢，其中，制約超大采高采煤機(jī)智能化發(fā)展的主要因素包括超大采高采煤機(jī)整機(jī)穩(wěn)定性及機(jī)身聯(lián)接剛性問題，關(guān)鍵零部件高性能新材料的開發(fā)及其工藝攻關(guān)，在強(qiáng)沖擊、強(qiáng)干擾等復(fù)雜環(huán)境下工業(yè)計算機(jī)在采煤機(jī)電控系統(tǒng)可靠運(yùn)行，以及行走位置控制、滾筒采高控制、與配套設(shè)備協(xié)同控制等方面[3]。針對電氣系統(tǒng)所涉及到的核心問題包括煤巖識別、動態(tài)定位、遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能感知、故障診斷。近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、傳感器技術(shù)等的大力發(fā)展，極大的促進(jìn)了采煤機(jī)電控系統(tǒng)智能化的突破。詳細(xì)闡述并分析了超大采高采煤機(jī)電氣控制系統(tǒng)以及在智能化方面的研究。

1 厚煤層采煤機(jī)的應(yīng)用實(shí)踐

紅柳林煤礦5-2號煤層厚度6.62～7.71m，平均厚度6.99m。2006年，首次進(jìn)行了7m超大采高開采工藝與裝備的可行性研究，該工作面一次采全高開采，采用超大采高工作面自動化控制系統(tǒng)，通過優(yōu)化采煤機(jī)截割工藝參數(shù)，大幅降低了工作面作業(yè)人員數(shù)量[4]。大同煤礦集團(tuán)塔山礦特厚煤層智能化綜放開采實(shí)踐，塔山煤礦開采3-5號煤層煤層平均厚度15.72m，在采煤機(jī)的左右滾筒安裝截割高度傳感器，對采煤機(jī)截割高度進(jìn)行智能監(jiān)控，通過優(yōu)化采煤機(jī)記憶截割工藝實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)的智能記憶截割[5]。黃陵二號煤礦大采高智能化開采實(shí)踐，黃陵二號煤礦416工作面煤層厚度為5.1～7m，平均厚度為6m，通過研發(fā)基于瓦斯?jié)舛鹊牟擅簷C(jī)聯(lián)動控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)瓦斯?jié)舛戎悄芨兄墓ぷ髅姘踩A(yù)警[6]。綜上述，現(xiàn)階段，針對特厚煤層的煤機(jī)裝備，已有諸多應(yīng)用先例，但采煤機(jī)電氣系統(tǒng)的智能化程度仍然不高。

2 超大采高采煤機(jī)電氣控制系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 電控系統(tǒng)架構(gòu)

超大采高采煤機(jī)電氣控制系統(tǒng)采用基于Runtime系統(tǒng)的貝加萊工業(yè)控制計算機(jī)作為主控制器，根據(jù)各子系統(tǒng)控制要求與控制方式的不同采用不同功能的遠(yuǎn)程IO模塊劃分構(gòu)建整個電控系統(tǒng)的各子系統(tǒng)硬件鏈路；采用CAN總線協(xié)議為各數(shù)據(jù)鏈的規(guī)范協(xié)議，規(guī)范各子系統(tǒng)之間的傳輸語言，通過上述方法建立起多條獨(dú)立的數(shù)據(jù)鏈路。利用主控制器將所有數(shù)據(jù)鏈聯(lián)系起來，構(gòu)建基于數(shù)據(jù)鏈的采煤機(jī)數(shù)據(jù)電傳控制系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)鏈傳輸是指主控制器通過總線接收發(fā)送采煤機(jī)控制系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的通訊數(shù)據(jù)，將各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集，通過內(nèi)部軟件根據(jù)數(shù)據(jù)優(yōu)先等級分時處理，將控制數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)以不同傳輸速率分別進(jìn)行傳輸，使總線能夠達(dá)到最大利用率，使數(shù)據(jù)傳輸能夠最大化滿足系統(tǒng)需求，具有快速、準(zhǔn)確的特點(diǎn)。

該系統(tǒng)主要分為4條數(shù)據(jù)鏈，分別負(fù)責(zé)不同的功能，Link1負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)上傳與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互，使采煤機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)可以實(shí)時傳輸至順槽集控中心，通過井下工作環(huán)網(wǎng)傳輸至地面，并且可以通過上位機(jī)將控制指令下發(fā)給采煤機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)的遠(yuǎn)程控制；Link2負(fù)責(zé)采煤機(jī)外圍數(shù)據(jù)采集單元數(shù)據(jù)匯集，即將采煤機(jī)上諸多傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，如水路系統(tǒng)各流量壓力傳感器、油路系統(tǒng)各溫度油位油溫傳感器、振動傳感器、位移傳感器等等；Link3負(fù)責(zé)采煤機(jī)所有電機(jī)管理單元數(shù)據(jù)匯集交互，將采煤機(jī)電控系統(tǒng)內(nèi)負(fù)責(zé)各主回路電機(jī)控制的電機(jī)管理單元監(jiān)測數(shù)據(jù)采集傳輸給主控制器；Link4負(fù)責(zé)采煤機(jī)內(nèi)部控制單元數(shù)據(jù)匯集交互，如變頻調(diào)速系統(tǒng)、電源管理系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)等。每條數(shù)據(jù)鏈相互獨(dú)立，采用硬件進(jìn)行總線隔離，不會產(chǎn)生數(shù)據(jù)鏈間互相影響的情況。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 采煤機(jī)電控系統(tǒng)架構(gòu)

超大采高智能化采煤機(jī)采用基于數(shù)據(jù)鏈的電傳系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)系統(tǒng)中各數(shù)據(jù)鏈路內(nèi)部單元模塊有各自特定的單元地址，主控制器可以通過識別各數(shù)據(jù)鏈路通訊總線上的子單元地址，查詢并診斷該子系統(tǒng)各單元模塊是否正常運(yùn)行，如果不正常，主控制器會將發(fā)生異常的單元模塊的實(shí)際狀態(tài)通過人機(jī)界面做出明確提示，工作人員根據(jù)人機(jī)界面上提示的信息，可以及時的進(jìn)行問題排查，將存在異常的模塊恢復(fù)正常。

2)各子系統(tǒng)單元模塊將自身的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)往所在數(shù)據(jù)鏈，由主控制器提取數(shù)據(jù)鏈上的數(shù)據(jù)信息，并經(jīng)過數(shù)據(jù)分析融合判斷后，將處理數(shù)據(jù)發(fā)往與之相關(guān)聯(lián)的其它數(shù)據(jù)鏈的子單元模塊。

3)各數(shù)據(jù)鏈單元根據(jù)控制要求定義自身特定的通訊時間間隔，最大限度避免某個子單元長時間占用數(shù)據(jù)鏈資源，提高數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時性、高效性。

4)各數(shù)據(jù)鏈之間存在多處電氣隔離，如果一條數(shù)據(jù)鏈出現(xiàn)問題，不會影響其它數(shù)據(jù)鏈的正常工作。

5)各數(shù)據(jù)鏈根據(jù)功能要求的不同，設(shè)置的傳輸速率不同。要求實(shí)時性高的IO控制，則傳輸速率稍高；數(shù)據(jù)上傳與遠(yuǎn)程控制考慮到傳輸距離與抗電磁環(huán)境問題，則傳輸速率稍微低些。在本系統(tǒng)中，Link1、Link2、Link3為同一傳輸速率且高于Link4數(shù)據(jù)鏈的傳輸速率。

6)系統(tǒng)中主控制器與各數(shù)據(jù)鏈間采用CAN總線協(xié)議作為通訊協(xié)議，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，實(shí)時性高，數(shù)據(jù)丟包率低。

7)采用數(shù)字電傳方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，效率高、準(zhǔn)確性好，保證控制系統(tǒng)可靠性。

8)系統(tǒng)內(nèi)各數(shù)據(jù)鏈中的模塊單元分布式布置，根據(jù)功能要求及信號形式定點(diǎn)安裝，優(yōu)化系統(tǒng)布局，減少接線冗余，提高模塊運(yùn)行質(zhì)量，降低干擾。

9)系統(tǒng)中主要元器件輸出信號多為數(shù)字信號，便于數(shù)據(jù)傳輸與處理，提高系統(tǒng)數(shù)字化程度。

2.2 電控箱結(jié)構(gòu)

智能化超大采高采煤機(jī)適用于8.8m特厚煤層開采。其最大采高滿足平均采高8.8m需求。具有高可靠性，整機(jī)及主要大部件大修周期達(dá)到過煤量1000萬t。且工作牽引速度滿足生產(chǎn)能力6000t/h的需求。電控箱需滿足一體式結(jié)構(gòu)，高、低壓分腔布置，強(qiáng)弱電分離走線，避免高壓干擾。根據(jù)神東煤炭集團(tuán)上灣煤礦來壓前后牽引速度與牽引電流得知，牽引負(fù)載電流長期在額定電流的80%，為滿足散熱降溫要求，優(yōu)化水道設(shè)計。其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，左腔為高壓控制腔，布置有牽引變壓器、控制變壓器、風(fēng)扇、隔離開關(guān)、高壓保險等；中間腔為變頻控制腔，布置有主從變頻器、電抗器、熔斷器、接觸器組件等；右腔為系統(tǒng)控制腔，布置有慣導(dǎo)單元、絕緣監(jiān)測單元、控制組件、電源組件等。

圖2 采煤機(jī)電控箱結(jié)構(gòu)

3 超大采高采煤機(jī)智能化關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 自適應(yīng)控制

為滿足采煤機(jī)在工作面的智能化功能，在此煤機(jī)上開發(fā)了以記憶截割為控制策略的智能采煤機(jī)自適應(yīng)系統(tǒng)。采煤機(jī)自適應(yīng)傳感器配置如圖3所示，為該系統(tǒng)配置的相應(yīng)傳感器。搖臂采高監(jiān)測通過智能油缸實(shí)現(xiàn)，在油缸內(nèi)安裝位移傳感器，通過的油缸的伸縮量來反應(yīng)搖臂的采高變化；配置采煤機(jī)傾角、俯仰角傳感器，實(shí)時監(jiān)測采煤機(jī)在工作面運(yùn)行過程中沿行走方向的俯仰角度變化和沿老塘側(cè)方向的傾斜角度變化；在牽引部配置編碼器傳感器，用于采煤機(jī)行走位置的實(shí)時定位。

圖3 采煤機(jī)自適應(yīng)傳感器配置

電氣控制系統(tǒng)主控器搭載記憶截割軟件。在實(shí)際運(yùn)行過程中，煤機(jī)司機(jī)控制采煤機(jī)割煤，記憶截割軟件學(xué)習(xí)了一刀工作面信息后，系統(tǒng)按照示范刀所記錄的工作參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)、滾筒高度軌跡，進(jìn)行智能化運(yùn)算，形成記憶截割模板，在自適應(yīng)記憶截割過程中不斷修正誤差，實(shí)現(xiàn)自動調(diào)高、臥底、加速和減速等功能超大采高采煤機(jī)自適應(yīng)記憶截割功能的實(shí)現(xiàn)以位置監(jiān)測、姿態(tài)監(jiān)測為基礎(chǔ)，構(gòu)建實(shí)時采煤機(jī)修正模型，劃分割煤工藝為“22象限”步序，輔助機(jī)載視頻系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)場割煤工藝自動截割。

3.2 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

慣性導(dǎo)航技術(shù)簡稱慣導(dǎo)技術(shù)，在航空航天領(lǐng)域普遍應(yīng)用。它是一種不依賴外部信息，也不向外輻射能量的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)[7]。超大采高采煤機(jī)研發(fā)基于捷聯(lián)慣導(dǎo)開發(fā)，以采煤機(jī)為核心的，長壁工作面三維導(dǎo)航智能化控制慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)如圖4所示，該系統(tǒng)由LASC LITE、EIP模塊、光電轉(zhuǎn)化模塊、交換機(jī)以及12V供電電源構(gòu)成，并安裝在采煤機(jī)外部箱體。慣導(dǎo)技術(shù)能提供位置、速度及姿態(tài)角數(shù)據(jù)，將其應(yīng)用于采煤機(jī)中，結(jié)合煤層GIS地理信息和三維虛擬現(xiàn)實(shí)截割模型進(jìn)行智能化處理，實(shí)現(xiàn)頂?shù)装蹇刂?、煤層走向控制和工作面對齊控制。基于捷聯(lián)慣導(dǎo)開發(fā)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，其三維自主精確定位位置精度25mm，采高精度10mm，三維誤差0.01°；工作面三直兩平矯準(zhǔn)控制，測控精度9cm；可以滿足實(shí)際工況下的生產(chǎn)需求。

圖4 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)圖

3.3 在線監(jiān)測及智能診斷

為減少非計劃停機(jī)停產(chǎn)故障，在停機(jī)后盡量縮短故障診斷與處理時間，需要發(fā)展設(shè)備的故障診斷與早期智能診斷技術(shù)[8-13]。國內(nèi)外先進(jìn)采煤機(jī)均已實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)自身控制模塊、通信連接及多數(shù)傳感器異常故障的在線監(jiān)測與人性化的故障查找處理提示。

超大采高采煤機(jī)搭載豐富的傳感元器件，包括振動在線監(jiān)測、油溫油位在線監(jiān)測、電機(jī)電流、溫度實(shí)時在線監(jiān)測、流量在線監(jiān)測、油品質(zhì)實(shí)時在線監(jiān)測等多種傳感器，監(jiān)測完善，保護(hù)豐富。振動故障檢測系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 振動故障檢測系統(tǒng)示意圖

選擇合理的振動測點(diǎn)，通過礦用本安型振動加速度傳感器獲取振動信號，并將采集到的振動信號轉(zhuǎn)化為4～20mA電流信號，礦用本安型振動監(jiān)測儀對電流信號進(jìn)行采集處理，通過故障頻率計算、故障特征提取、故障部位與嚴(yán)重程度智能診斷等，對振動信號進(jìn)行分析診斷，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時診斷。并將診斷結(jié)果和報警后的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)或者RS485發(fā)送到集控中心進(jìn)行顯示與上傳。

通過采集各部分電機(jī)的電流及溫度，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，與設(shè)置的閾值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果，對采煤機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的動作處理。例如當(dāng)電機(jī)溫度高于135℃，同時小于150℃時，采煤機(jī)處于溫度報警狀態(tài)。當(dāng)電機(jī)溫度高于150℃時，采煤機(jī)電機(jī)停止工作。通過對電流數(shù)據(jù)的分析，可實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)的恒功率自動控制及重載反牽控制。

油溫、油位對液壓系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行起到了重要的作用。通過對液壓系統(tǒng)油溫油位的檢測及分析，可對系統(tǒng)是否漏油、密封性是否良好等起到預(yù)判作用。通過油品質(zhì)的檢測，可分析出采煤機(jī)部分機(jī)械的磨損情況等。

4 結(jié) 語

經(jīng)過歷次技術(shù)迭代，采煤機(jī)從機(jī)械化，到自動化，再到智能化已經(jīng)有了長足發(fā)展。但在特厚煤層的智能化煤機(jī)裝備領(lǐng)域仍然較為滯后。8.8m超大采高采煤機(jī)應(yīng)用實(shí)踐，為適應(yīng)特厚煤層的超大煤機(jī)裝備發(fā)展具有突破性意義。超大采高采煤機(jī)，尤其在電控系統(tǒng)的智能化應(yīng)用中，集自適應(yīng)控制、慣性導(dǎo)航控制和在線監(jiān)測故障診斷方面取得較大突破。但在煤巖識別、多傳感器融合、人工智能的健康狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)知等方面仍需大力發(fā)展。通過在這些關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的不斷探索積累，最終實(shí)現(xiàn)超大采高采煤機(jī)向更高智能化采煤機(jī)質(zhì)的跨躍。