褚晉陽

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)能源投資開發(fā)有限公司， 山西 太原 030053）

引言

我國(guó)煤炭資源儲(chǔ)量豐富，統(tǒng)計(jì)表明，我國(guó)在2017 年煤炭產(chǎn)量高達(dá)35 億t，排名世界第一。在我國(guó)眾多的能源消耗中，煤炭資源的消耗一直占據(jù)極大的比重，煤炭行業(yè)的發(fā)展也直接制約著我國(guó)各行各業(yè)的發(fā)展。在我國(guó)由于煤層賦存地質(zhì)較為復(fù)雜，在煤炭開采過程中極易出現(xiàn)煤礦事故，造成礦井人員及財(cái)產(chǎn)的損失。為了提升礦井開采的安全性，解決井下作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，提出智能化工作面建設(shè)目標(biāo)。通過智能化管理、自動(dòng)化操作使得工作面人員大幅度降低，同時(shí)提升了工作面操作的規(guī)范程度，有效保證了礦井生產(chǎn)的安全。采煤機(jī)作為我國(guó)最重要的煤礦開采設(shè)備，其性能直接制約著礦井的開采，目前我國(guó)采煤機(jī)截割工作大部分靠滾筒來完成，當(dāng)截割滾筒在截割過程中遇到硬煤時(shí)，此時(shí)滾筒截割參數(shù)無法自動(dòng)變化，造成滾筒截齒發(fā)生損壞，嚴(yán)重影響采煤機(jī)工作效率[1-2]，所以對(duì)采煤機(jī)自適用截割狀態(tài)控制進(jìn)行研究是十分有必要的。此前較多的學(xué)者對(duì)此進(jìn)行過一定的研究[3-4]，本文在前人研究的基礎(chǔ)上對(duì)采煤機(jī)記憶截割原理及煤炭識(shí)別技術(shù)進(jìn)行探討，為采煤機(jī)自適應(yīng)控制的發(fā)展作出一定的貢獻(xiàn)。

1 截割控制策略

在采煤機(jī)運(yùn)行過程中，主要包含三個(gè)方向的位移動(dòng)作，分別為牽引、升高、推溜，其中牽引速度及滾筒的調(diào)高是最為重要的兩個(gè)工作，牽引調(diào)速是對(duì)牽引電機(jī)進(jìn)行控制，而滾筒調(diào)高主要是通過對(duì)調(diào)高油缸的伸縮量進(jìn)行控制。當(dāng)采煤機(jī)滾筒截割遇到堅(jiān)硬巖層時(shí)，此時(shí)自適應(yīng)控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)整搖臂位置，避免出現(xiàn)硬碰撞，同時(shí)采煤機(jī)會(huì)立刻匹配與巖層硬度相使用的截割速度及截割強(qiáng)度，再次進(jìn)入工作面，按照對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)遇到硬巖時(shí)，此時(shí)采煤機(jī)降低滾筒高度撤離，當(dāng)遇到硬度較小的巖層時(shí)，此時(shí)采煤機(jī)會(huì)降低牽引速度，提升滾筒運(yùn)行速度。采煤機(jī)自適應(yīng)截割控制流程如圖1 所示。

圖1 采煤機(jī)自適應(yīng)截割控制流程

由圖1 可以看出，采煤機(jī)的自適應(yīng)控制流程可以分為路徑記憶、自適應(yīng)控制、路徑跟蹤三個(gè)階段。在系統(tǒng)運(yùn)行前，需要手動(dòng)操作讓采煤機(jī)記住自身行走路徑。完成后再調(diào)整為自動(dòng)運(yùn)行模式，在此階段采煤機(jī)會(huì)對(duì)事前記住的路徑進(jìn)行讀取，開始自動(dòng)運(yùn)行。在采煤機(jī)運(yùn)行過程中如果遇到截割負(fù)載狀態(tài)異常時(shí)，系統(tǒng)會(huì)迅速啟動(dòng)自適應(yīng)控制模式，根據(jù)遇到的情況及時(shí)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。系統(tǒng)調(diào)整有兩種方式識(shí)別異常煤巖硬度，如遇到一般硬度的巖石，降低牽引速度、加大滾筒轉(zhuǎn)速，進(jìn)行強(qiáng)行切割；當(dāng)巖石硬度過大時(shí)，調(diào)低滾筒高度避開。路徑記憶的生成方式可以分為兩種，一種是數(shù)據(jù)記憶，另一種是人工模式。在人工模式下，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)對(duì)操作員的每個(gè)控制過程、處理情況及采煤機(jī)位置、姿態(tài)、動(dòng)作等信息進(jìn)行及時(shí)的記錄，信息的記錄主要是依據(jù)采煤機(jī)工作面的空間坐標(biāo)，姿態(tài)信息是通過采煤機(jī)傾斜角度及滾筒的空間坐標(biāo)進(jìn)行記錄。狀態(tài)信息通過采煤機(jī)機(jī)械部件及電氣部件的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行記錄;，采煤機(jī)將以上信息進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，從而形成一套人工操作動(dòng)作體系，達(dá)到指導(dǎo)采煤機(jī)的自動(dòng)操作的目的。但對(duì)人工要求較為嚴(yán)格，所以常用的是數(shù)據(jù)記憶，通過對(duì)截割過程數(shù)據(jù)的采集及自適應(yīng)算法的處理，從而形成狀態(tài)調(diào)整命令，達(dá)到自適應(yīng)控制。

自適應(yīng)控制系統(tǒng)采用七大模塊，分別為手動(dòng)控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、路徑追蹤模塊、路徑存儲(chǔ)模塊、狀態(tài)檢測(cè)模塊、自適應(yīng)控制模塊、故障處理模塊，通過加裝傳感器對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行各種狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，達(dá)到數(shù)據(jù)收集及監(jiān)控目的。

2 截割狀態(tài)識(shí)別

在采煤機(jī)截割過程中，控制器端會(huì)收到大量的傳感器傳輸數(shù)據(jù)，但由于控制器本身具有的內(nèi)存無法全部存儲(chǔ)，所以要對(duì)接收數(shù)據(jù)中重復(fù)或者無效的數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)清理，這就需要對(duì)記憶點(diǎn)的結(jié)構(gòu)及選取方案進(jìn)行選擇。采煤機(jī)的控制器每個(gè)掃描周期時(shí)長(zhǎng)為10 ms，所以可收集100 個(gè)/s 數(shù)據(jù)，其中大部分為無效數(shù)據(jù)，切割路徑中記憶點(diǎn)大致可分為三種，分別為特殊記憶點(diǎn)、常規(guī)記憶點(diǎn)和關(guān)鍵記憶點(diǎn)。其中常規(guī)記憶點(diǎn)就是采煤機(jī)在正常運(yùn)行過程中存儲(chǔ)的記憶點(diǎn)，常規(guī)記憶點(diǎn)收集間隔太小會(huì)對(duì)控制器內(nèi)存要求較大，而間隔太大會(huì)造成關(guān)鍵信息的缺失，所以本文將常規(guī)記憶點(diǎn)的間距設(shè)定為1 m；關(guān)鍵記憶點(diǎn)是在采煤機(jī)接收到外部命令后對(duì)現(xiàn)有的運(yùn)行姿態(tài)及位置進(jìn)行記錄的記憶點(diǎn)，其主要集中在采煤機(jī)運(yùn)行拐點(diǎn)及運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化的位置；特殊記憶點(diǎn)則是記錄采煤機(jī)在正常運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障的實(shí)時(shí)記憶點(diǎn)或者由故障轉(zhuǎn)化為正常工作狀態(tài)的記憶點(diǎn)。常見的有電流、電壓、溫度等異常，本文設(shè)定當(dāng)電流連續(xù)10 s 出現(xiàn)大于1.2 倍運(yùn)行額定功率時(shí)發(fā)生電流報(bào)警，當(dāng)溫度連續(xù)10 s 超過130 ℃時(shí)，發(fā)生溫度報(bào)警，電壓超過額定電壓10 s 時(shí)發(fā)出電壓報(bào)警。

在采煤機(jī)向前推進(jìn)過程中，由于頂?shù)装鍘r層屬性發(fā)生變化，采煤機(jī)動(dòng)作也必須作出相應(yīng)的調(diào)整，避免出現(xiàn)滾筒和傳動(dòng)系統(tǒng)的損壞。所以，根據(jù)頂?shù)装鍘r性變化對(duì)截割滾筒的徑向作用力、阻力矩、截割電機(jī)、牽引電機(jī)等作出適應(yīng)性調(diào)整，調(diào)整的依據(jù)來源于傳感器接收到的信息。自適應(yīng)修正控制原理如圖2 所示。

圖2 自適應(yīng)修正控制原理圖

利用Matlab 軟件對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行過程進(jìn)行仿真模擬，對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行前后扭矩載荷進(jìn)行分析，優(yōu)化前后采煤機(jī)運(yùn)行扭矩載荷曲線如圖3 所示。

從圖3 可以看出，在無自適應(yīng)控制系統(tǒng)時(shí)，采煤機(jī)在運(yùn)行過程中扭矩載荷隨時(shí)間增大呈現(xiàn)先增大后波動(dòng)的情況，這是由于在運(yùn)行前期巖層較軟，此時(shí)采煤機(jī)受到的扭矩載荷較為平穩(wěn)，當(dāng)采煤機(jī)運(yùn)行至堅(jiān)硬巖層時(shí)，此時(shí)采煤機(jī)扭矩載荷快速增大，并在較大載荷下出現(xiàn)較大波動(dòng)，最大載荷為132 kN·m，此時(shí)極易損壞采煤機(jī)截割部。當(dāng)給出采煤機(jī)自適應(yīng)控制系統(tǒng)后，此時(shí)采煤機(jī)運(yùn)行扭矩載荷隨時(shí)間的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在截割巖性較軟的巖層時(shí)，扭矩載荷逐步增大，當(dāng)截割至堅(jiān)硬巖層時(shí)，此時(shí)采煤機(jī)自適應(yīng)控制系統(tǒng)會(huì)立刻作出處理，降低滾筒高度，此時(shí)采煤機(jī)扭矩載荷逐步降低，最大扭矩載荷為105 kN·m，可以看出自適應(yīng)控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)煤巖狀態(tài)識(shí)別并作出相應(yīng)的反應(yīng)。

圖3 優(yōu)化前后采煤機(jī)運(yùn)行扭矩載荷曲線

3 結(jié)論

為了解決采煤機(jī)截割滾筒在截割過程中遇到硬煤時(shí)，無法自動(dòng)變化截割參數(shù)，造成滾筒截齒發(fā)生損壞的問題，本文通過對(duì)采煤機(jī)自適應(yīng)截割控制流程、控制策略及煤巖狀態(tài)識(shí)別等進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了采煤機(jī)自適應(yīng)控制系統(tǒng)，并通過仿真軟件對(duì)自適應(yīng)控制系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過優(yōu)化后采煤機(jī)在遇到硬巖時(shí)會(huì)迅速降低滾筒高度，有效保證了截割部位的使用壽命。