謝志遠(yuǎn)

（汾西礦業(yè)柳灣煤礦， 山西 孝義 032300）

引言

隨著礦井煤炭開采工藝、裝備等的提升，采煤工作面已逐漸向自動(dòng)化、智能化發(fā)展，同時(shí)部分礦井已實(shí)現(xiàn)智能化開采[1-3]。受到煤礦井下環(huán)境惡劣、開采煤層賦存條件復(fù)采以及煤炭開采工藝等限制，智能采煤工作面采煤機(jī)自動(dòng)截割工藝應(yīng)用效果不盡人意，現(xiàn)場應(yīng)用過程中需要人工頻繁干預(yù)，采煤機(jī)在生產(chǎn)期間容易出現(xiàn)故障，不僅影響采煤自動(dòng)化程度而且影響煤炭正常生產(chǎn)[4-6]。為此，文中針對智能采煤工作面現(xiàn)狀，提出一種采煤機(jī)運(yùn)行自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)割煤期間參數(shù)的自動(dòng)監(jiān)測、調(diào)控，可提高采煤機(jī)自動(dòng)截割控制能力而且大幅降低采煤機(jī)故障發(fā)生率。

1 采煤機(jī)截割操作及記憶截割策略分析

1.1 采煤機(jī)記憶截割操作方式

現(xiàn)階段礦井智能化采煤工作面采煤機(jī)記憶截割無法實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自動(dòng)化運(yùn)行控制，在現(xiàn)場生產(chǎn)過程中操作人員需頻繁干預(yù)采煤機(jī)割煤過程。為此，文中提出的采煤機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)是采煤機(jī)機(jī)載傳感器、液壓支架上紅外傳感器實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)工作狀態(tài)以及位置等監(jiān)控，并通過慣性導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)運(yùn)行路徑定位。將采煤機(jī)記憶截割控制分人工操作示范階段、采煤機(jī)記憶截割控制階段兩個(gè)階段。在人工操作示范階段（采煤機(jī)學(xué)習(xí)階段），即采煤機(jī)在初期割煤時(shí)，現(xiàn)場操作人員控制采煤機(jī)運(yùn)行，并通過電控系統(tǒng)對人工操控期間采煤機(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)；采煤機(jī)記憶截割控制階段是基于人工操作示范階段采煤機(jī)生產(chǎn)參數(shù)自動(dòng)調(diào)整采煤機(jī)運(yùn)行姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自動(dòng)截割控制。

1.2 采煤機(jī)操控?cái)?shù)據(jù)采集

在采煤機(jī)正常工作過程中，監(jiān)控系統(tǒng)對采煤機(jī)各關(guān)鍵部位運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析，并將監(jiān)測獲取到的參數(shù)作為后續(xù)采煤機(jī)自動(dòng)化操控依據(jù)，從而提升采煤機(jī)自適應(yīng)調(diào)整以及自動(dòng)化操控依據(jù)。采煤機(jī)生產(chǎn)過程中對每個(gè)作業(yè)循環(huán)過程中，對采煤機(jī)自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整、自動(dòng)依據(jù)跟蹤，常規(guī)點(diǎn)數(shù)據(jù)按照采煤機(jī)運(yùn)行等距離定點(diǎn)進(jìn)行，具體表達(dá)式為：

數(shù)據(jù)采集點(diǎn)數(shù)可通過下述公式確定：

式中：xi，j為采煤機(jī)在第j 次記憶截割時(shí)第i 個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)定位距離，m；Si，j為采煤機(jī)在第j 次記憶截割時(shí)第i 個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)采集信息；△X 為數(shù)據(jù)采集點(diǎn)間距，m；Lj表示切眼長變化，m。

在切眼長度變化給定范圍內(nèi)，煤層頂?shù)装迤鸱兓L度最小值為Lmin，則數(shù)據(jù)采集點(diǎn)間距△X＜Lmin/2。

1.3 采煤機(jī)記憶截割策略

采煤機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)對采煤機(jī)自動(dòng)截割參數(shù)進(jìn)行采集，由于采煤機(jī)在正常生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生巨量運(yùn)行參數(shù)，監(jiān)控系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)全部監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，為避免重要監(jiān)測數(shù)據(jù)丟失進(jìn)而影響采煤機(jī)記憶截割，需要制定針對性記憶截割方案，并對采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化分類，提高了監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間利用率。

2 采煤機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

煤礦井下環(huán)境惡劣，采煤機(jī)記憶截割、自動(dòng)化控制仍需要不斷改進(jìn)。文中設(shè)定的采煤機(jī)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見下頁圖1 所示，結(jié)構(gòu)有傳感器、S7-300PLC、WinCC 模塊等，傳感器對采煤機(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測并將監(jiān)測參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸給PLC，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)記憶截割期間運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。在采煤機(jī)記憶截割期間，若某項(xiàng)監(jiān)測參數(shù)存在異常時(shí)，自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號，從而避免故障擴(kuò)大化。在自動(dòng)監(jiān)測期間對采煤機(jī)所處位置、擺動(dòng)角度、仰俯角、搖臂傾角等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、存儲(chǔ)，并為后續(xù)采煤機(jī)在三角區(qū)割煤以及記憶截割提供參考，以便提高采煤機(jī)智能化控制水平。

圖1 采煤機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)硬件及軟件結(jié)構(gòu)

2.2.1 硬件結(jié)構(gòu)

1）PLC 選型。PLC 是整個(gè)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)核心組件，PLC 結(jié)構(gòu)包括有存儲(chǔ)器、CPU、電路輸入/輸出模塊以及通信模塊等。從自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際需求方面考慮，PLC 選擇S7-300 型，PLC 的CPU 為313C-2PtP，具有運(yùn)算速度快、穩(wěn)定性好以及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

2）通信模塊。通信模塊需要有較強(qiáng)的通信能力以及可靠性，可滿足PLC 與上位機(jī)間通訊需求。根據(jù)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)需要，通信模塊為CP341，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)通信，通信距離可達(dá)到1300 m，并指出MODBUS、DataHighway 等多種通信協(xié)議。

2.2.2 軟件結(jié)構(gòu)

采煤機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)軟件運(yùn)行流程見圖2 所示。

圖2 自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)軟件運(yùn)行流程

采用的監(jiān)控軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，具體功能模塊包括有數(shù)據(jù)采集、記憶截割自適應(yīng)調(diào)整、人工修整以及故障報(bào)警等。在采煤機(jī)割煤初期，先采用人工控制為采煤機(jī)后續(xù)記憶截割提供示范，通過監(jiān)控系統(tǒng)對采煤機(jī)截割參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測、分析，并為后續(xù)采煤機(jī)自適應(yīng)調(diào)控提供指導(dǎo)。

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

將文中所提智能采煤工作面采煤機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用到山西某礦3203 智能化工作面采煤機(jī)運(yùn)行監(jiān)控中，在采煤機(jī)記憶截割期間獲取到的部分運(yùn)行參數(shù)見表1 所示。

表1 采煤機(jī)監(jiān)測參數(shù)

從表1 看出，在采煤機(jī)記憶截割控制中，自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測，并提升采煤機(jī)記憶截割智能化程度；自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)獲取到的采煤機(jī)運(yùn)行參數(shù)與采煤機(jī)現(xiàn)場運(yùn)行參數(shù)一致，表明該系統(tǒng)可滿足采煤機(jī)自動(dòng)監(jiān)控需求。