張宇杰

（山西省煤炭規(guī)劃設(shè)計院（集團）有限公司， 山西 太原 030045）

0 引言

煤礦井下綜采面的采煤機為MG300/700 型，綜采作業(yè)時的牽引速度為0～11.2 m/min，所采用的刮板輸送機為SGZ800/800 型，是煤礦井下綜采面“三機”的重要組成部分，其運行的穩(wěn)定性和可靠性直接決定了煤礦井下綜采作業(yè)的效率和經(jīng)濟性。由于煤礦井下綜采作業(yè)環(huán)境比較復(fù)雜，因此采煤機在截割作業(yè)時的效率存在著一定的波動，單位時間內(nèi)的煤炭截割量變化較大，使刮板輸送機上的煤炭分布不均勻，當出現(xiàn)長時間過載運行時極易導(dǎo)致刮板輸送機的損壞，影響井下輸送安全。目前井下主要通過人工觀測的方式來對采煤機和刮板輸送機的聯(lián)動運行情況進行控制，但人工觀測效率低、可靠性差，無法滿足井下自動化綜采作業(yè)的需求。

結(jié)合煤礦井下智能綜采作業(yè)的需求，項目組提出了一種新的采煤機、刮板輸送機聯(lián)動運行控制系統(tǒng)，通過對采煤機截割速度和刮板輸送機負載情況的分析，確定了刮板輸送機在不同負載情況下采煤機的截割轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍，通過對刮板輸送機運行負載狀態(tài)的監(jiān)測來實現(xiàn)對采煤機綜采作業(yè)情況的動態(tài)調(diào)整。根據(jù)在煤礦實際應(yīng)用表明，新的聯(lián)動運行控制系統(tǒng)，能夠有效消除井下綜采作業(yè)過程中刮板輸送機、采煤機的聯(lián)動失調(diào)問題，將綜采面作業(yè)人員數(shù)量降低了2 人，將刮板輸送機的運行效率提升了36.6%，有效的提升了井下綜采作業(yè)的經(jīng)濟性和效率。

1 聯(lián)動運行控制系統(tǒng)優(yōu)化

根據(jù)煤礦井下綜采作業(yè)聯(lián)動控制的需求，要求系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對刮板輸送機運行狀態(tài)的實時監(jiān)測，在接收到監(jiān)測信息后能夠?qū)斔蜋C下一階段的運行情況進行預(yù)測并將結(jié)果傳遞給采煤機，實現(xiàn)反饋控制系統(tǒng)運行，該采煤機與刮板輸送機聯(lián)動運行控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示[1]。

圖1 聯(lián)動運行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1 可知，該系統(tǒng)可分為數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)傳輸單元以及數(shù)據(jù)分析單元三個部分。數(shù)據(jù)采集單元主要是利用溫度傳感器、編碼器、互感器等對采煤機、刮板輸送機運行時的參數(shù)進行監(jiān)控，將數(shù)據(jù)信息通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳遞到數(shù)據(jù)分析單元內(nèi)，數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)監(jiān)測信息實現(xiàn)對刮板輸送機負載的預(yù)測和判斷，根據(jù)判斷結(jié)果和采煤機的截割狀態(tài)對比，從而靈活的調(diào)整采煤機的截割速度和刮板輸送機的運行速度，使刮板輸送機處于連續(xù)穩(wěn)定運行的狀態(tài)。

由于刮板輸送機和采煤機的相對位置狀態(tài)是不斷變化的，因此若采用有線數(shù)據(jù)通信的模式會導(dǎo)致井下電纜長、通信可靠性不足，因此為了滿足數(shù)據(jù)通信靈活性和可靠性的需求，在井下布置了MESH 無線交換機[2]，通過構(gòu)建局域網(wǎng)絡(luò)的方式來實現(xiàn)采煤機和刮板機數(shù)據(jù)的靈活傳輸，具有穩(wěn)定性高、可靠性好的優(yōu)點。

2 高速數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)建立

為了滿足煤礦井下復(fù)雜環(huán)境下數(shù)據(jù)通信的安全性需求，項目組建立了一種基于TPC 標準通信協(xié)議的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)[3]，將無線傳輸和有線傳輸相結(jié)合，在確保數(shù)據(jù)通信可靠性的條件下最大限度地提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)撵`活性，該數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

綜采面的環(huán)境相對復(fù)雜，而且采煤機在不斷地運行過程中若和采煤機相連接的設(shè)備之間數(shù)據(jù)通信采用有線連接，則在設(shè)備移動或者綜采面塌方等情況下極易導(dǎo)致電纜損壞，影響數(shù)據(jù)通信安全性，無法滿足綜采面設(shè)備動態(tài)運行條件下的需求。因此在采煤機和順槽之間、采煤機和刮板輸送機之間、刮板輸送機和順槽之間的數(shù)據(jù)通信均采用了MESH（無線網(wǎng)格）[4]無線數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)，其他地方數(shù)據(jù)通信則采用了有線光纜傳輸，既保證了數(shù)據(jù)通信的安全性，又提升了數(shù)據(jù)通信的靈活性。

無線網(wǎng)絡(luò)交換機主要是負責在綜采面的數(shù)據(jù)通信服務(wù)[5]，因此為了保證數(shù)據(jù)通信的可靠性，需要保證無線網(wǎng)絡(luò)交換機能夠跟著綜采面不斷向前推進?？紤]到刮板輸送機在運行中極易受到落煤的影響，因此將無線網(wǎng)絡(luò)交換機設(shè)置在采煤機和緊靠刮板輸送機的端頭支架上，考慮到刮板輸送機的距離較遠，需要在刮板輸送機附近的支架上每隔一段距離設(shè)置一個網(wǎng)絡(luò)交換機。

煤礦井下綜采面的地質(zhì)條件較為復(fù)雜，起伏較大，在應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)地形的變化會導(dǎo)致無線網(wǎng)絡(luò)的信號強度不穩(wěn)定，因此在布置無線網(wǎng)絡(luò)交換機時不能進行等距離布置。通過對井下通信狀況的實際驗證，在起伏波動大的位置無線網(wǎng)絡(luò)交換機的布置距離不大于30 m，在地形較為平緩的位置，網(wǎng)絡(luò)交換機的布置距離可以設(shè)置為60～80 m。在布置時交換機的天線應(yīng)該水平安裝，能夠取得更好的數(shù)據(jù)通信效果，交換機在井下液壓支架上的布置結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)交換機布置結(jié)構(gòu)示意圖

3 負載反饋調(diào)節(jié)邏輯

該聯(lián)動運行控制的基礎(chǔ)是以刮板輸送機的負載狀態(tài)為核心，實現(xiàn)對采煤機截割作業(yè)狀態(tài)的閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)，該負載反饋調(diào)節(jié)邏輯如圖4 所示[6]。圖4 中I 表示運行電流值，v 表示采煤機的綜采作業(yè)速度。在工作的過程中系統(tǒng)首先對刮板輸送機的運行負載狀態(tài)進行判斷，當刮板輸送機處于空載狀態(tài)時則按正常的啟動流程進行啟動，當處于過載狀態(tài)時就使其停機。當系統(tǒng)判斷刮板輸送機的負載在正常范圍內(nèi)時則會將負載情況和采煤機的綜采作業(yè)速度進行對比判斷，確定最匹配的采煤機綜采速度，同時對其速度是否在正常范圍內(nèi)進行監(jiān)測，實現(xiàn)了采煤機、刮板輸送機運行狀態(tài)的相互匹配[7]。

圖4 負載反饋調(diào)節(jié)邏輯示意圖

由圖4 可知，在該負載反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，首先利用模糊邏輯對刮板輸送機在不同運行負載狀態(tài)下進行劃分，每種狀態(tài)對應(yīng)一種邏輯控制函數(shù)，然后根據(jù)實際的驗證，來確定不同負載狀態(tài)下和采煤機的最佳截割速度匹配情況。在工作中通過對刮板輸送機負載情況的判斷來直接匹配轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對采煤機運行狀態(tài)的靈活調(diào)整。

4 應(yīng)用效果分析

煤礦井下綜采面采用機械化聯(lián)合作業(yè)，綜采面的傾斜長度為210 m，綜采面的平均傾斜角度為5.3°，煤層的平均采高為4.2 m，煤層的走向長度為1 284 m，采煤機為MG300/700 型，綜采作業(yè)時的牽引速度為0～11.2 m/min，所采用的刮板輸送機為SGZ800/800型，以雙速電機為驅(qū)動核心。對其進行自動化運行控制系統(tǒng)改造，使其滿足采煤機- 刮板輸送機聯(lián)合運行控制需求，對該系統(tǒng)應(yīng)用以后的情況進行監(jiān)測。

根據(jù)實際監(jiān)測統(tǒng)計，該新的采煤機與刮板輸送機聯(lián)動運行控制系統(tǒng)投入使用后，能夠消除井下綜采作業(yè)過程中刮板輸送機、采煤機的協(xié)同運行，將綜采面作業(yè)人員數(shù)量降低了2 人，將刮板輸送機的運行效率提升了36.6%，井下未再出現(xiàn)過因刮板輸送機和采煤機煤量不匹配導(dǎo)致的停機調(diào)整情況，顯著提升了井下綜采作業(yè)的穩(wěn)定性和安全性，目前該采煤機、刮板輸送機聯(lián)合運行控制系統(tǒng)已經(jīng)在多個綜采面投入使用，取得了極好的應(yīng)用效果。

5 結(jié)論

1）采煤機、刮板輸送機聯(lián)動運行控制系統(tǒng)可分為數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)傳輸單元以及數(shù)據(jù)分析單元三個部分，具有穩(wěn)定性高、可靠性好的優(yōu)點。

2）基于TPC 標準通信協(xié)議的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，將無線傳輸和有線傳輸相結(jié)合，在確保數(shù)據(jù)通信可靠性的條件下最大限度地提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)撵`活性；

3）在起伏波動大的位置無線網(wǎng)絡(luò)交換機的布置距離不大于30 m，在地形較為平緩的位置，網(wǎng)絡(luò)交換機的布置距離可以設(shè)置為60～80 m，提高數(shù)據(jù)通信的可靠性。

4）新的控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)井下綜采作業(yè)過程中刮板輸送機、采煤機的協(xié)同運行，將綜采面作業(yè)人員數(shù)量降低了2 人，將刮板輸送機的運行效率提升了36.6%，顯著提升了井下綜采作業(yè)的穩(wěn)定性和安全性。