采煤機(jī)記憶程控滾筒調(diào)高控制策略分析

范紅斌

山西晉煤集團(tuán)金鼎公司，山西晉城 048000

0 引言

由于采煤機(jī)的牽引方向和牽引速度是變化的，若采用常規(guī)的等時(shí)間采樣周期不符合實(shí)際工作環(huán)境，可能導(dǎo)致滾筒高度采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)不均勻，而且上一刀的采樣數(shù)據(jù)作為下一刀的控制依據(jù)不能對應(yīng)等現(xiàn)象。因此，本課題通過分析采煤機(jī)滾筒調(diào)高記憶程控的基本原理，采用密采稀存的方式，主要是通過長間隔根據(jù)采煤機(jī)移動(dòng)位移作為采樣尺度，以盡可能小的控制系統(tǒng)及盡可能小的存儲空間達(dá)到采煤機(jī)位置姿態(tài)檢測存儲的目的，進(jìn)而通過控制系統(tǒng)提取上次或首次的存儲數(shù)據(jù)，來控制電磁閥通斷的次數(shù)和通斷的時(shí)間，最終控制采煤機(jī)滾筒的當(dāng)前姿態(tài)，以達(dá)到提高采煤機(jī)回采率和生產(chǎn)效率的目的[1，2]。本文主要探討了采煤機(jī)記憶程控滾筒調(diào)高控制策略相關(guān)問題。

1 記憶程控調(diào)高的基本原理

采煤機(jī)滾筒截割記憶程控調(diào)高的基本原理：它是由司機(jī)操縱采煤機(jī)沿工作面方向的煤層高低起伏條件先割一刀，滾筒調(diào)高的控制系統(tǒng)將采煤機(jī)的行程位置、滾筒的高度位置，采煤機(jī)的工作姿態(tài)、牽引方向和牽引速度等信息存入到計(jì)算機(jī)中，以后的滾筒截割高度均由計(jì)算機(jī)根據(jù)存儲器記憶的工作參數(shù)，自動(dòng)調(diào)高滾筒的位置高度。若有煤層條件發(fā)生變化時(shí)，則由司機(jī)手動(dòng)操作割煤（作為位置高度的微調(diào)），并自動(dòng)記憶調(diào)整過的工作參數(shù)，作為下一刀滾筒調(diào)高的工作程序。這種方法是一種還可以人工干預(yù)的自動(dòng)化操縱方式，司機(jī)可任意調(diào)整滾筒（搖臂）的位置而不受記憶數(shù)據(jù)的限制。

截割記憶程控的特征是預(yù)知控制結(jié)果的再現(xiàn)控制，控制的精度和可靠性取決于采樣記憶的信息量和準(zhǔn)確程度。與截割記憶程控相關(guān)的信息有：采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)（采煤機(jī)的牽引方向、牽引速度和換向、斜切進(jìn)刀的往復(fù)牽引、空行程調(diào)動(dòng)等）；采煤機(jī)在工作面方向的運(yùn)行位置（由行走距離傳感器檢測）；滾筒高度位置的定位采樣（由搖臂擺角傳感器或調(diào)高油缸行程位移傳感器檢測）；采煤機(jī)的空間姿態(tài)（采煤機(jī)沿工作面走向的縱向傾斜角度、沿工作面推進(jìn)方向的橫向傾斜角度）。工作姿態(tài)的參量同時(shí)反映了輸送機(jī)推移狀態(tài)，如飄底和啃底的影響，并綜合反映了滾筒位置高度的調(diào)整結(jié)果。

記憶程控的技術(shù)方法具備有限的自動(dòng)修正功能，是目前優(yōu)先考慮的滾筒調(diào)高方法，國外早已經(jīng)把它應(yīng)用于實(shí)際當(dāng)中，在國內(nèi)神華集團(tuán)有限責(zé)任公司也正在研究此項(xiàng)自動(dòng)調(diào)高技術(shù)，并致力于應(yīng)用到實(shí)際中。但頂、底板發(fā)生變化時(shí)，還是得靠人為手動(dòng)調(diào)節(jié)。對井下煤層和圍巖的復(fù)雜條件，特別是遇到較復(fù)雜的地質(zhì)條件時(shí)，單一的方法難以準(zhǔn)確、可靠地判斷煤巖分界，尚需進(jìn)一步研究采用傳感器和辯識系統(tǒng)取得多參量信號融合，近年來隨著微機(jī)能力不斷提高，多數(shù)專家和學(xué)者傾向于利用微機(jī)軟件和智能算法，進(jìn)行綜合信息對比處理，再給出調(diào)整滾筒高度和臥底量的指令，最優(yōu)的來控制滾筒調(diào)高。從現(xiàn)有的實(shí)際應(yīng)用情況來看，基于記憶程控煤巖分界識別及控制系統(tǒng)，在性能參數(shù)、自動(dòng)化技術(shù)上都處于世界領(lǐng)先水平。

采煤機(jī)截割記憶程控模式，主要涉及了計(jì)算機(jī)采樣檢測和存儲、灰色預(yù)測理論、液壓控制、計(jì)算機(jī)仿真等學(xué)科，對采煤機(jī)的運(yùn)行位置、牽引方向、牽引速度、搖臂位置或滾筒高度及機(jī)身煤層走向和傾向進(jìn)行多參數(shù)檢測、識別和信息綜合。采樣存儲采煤機(jī)先前的采煤數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析，進(jìn)而控制采煤機(jī)滾筒的調(diào)高，使采煤機(jī)最大效率地采煤。該系統(tǒng)的研制成功，將有助于提高我國采煤機(jī)自動(dòng)化水平，縮短我們與先進(jìn)國家在采煤行業(yè)的差距。

2 控制策略的確定

2.1 單片機(jī)的應(yīng)用

采煤機(jī)滾筒記憶程控控制器由單片機(jī)、通訊接口、D/A轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器和輸入接口等組成，通過通訊接口和采煤工作面主控箱保持聯(lián)系，A/D轉(zhuǎn)換器檢測信號經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算后輸出控制信號至D/A轉(zhuǎn)換器。采煤機(jī)滾筒高度自動(dòng)跟蹤裝置的數(shù)據(jù)采集、處理與輸出這些控制過程，可以由8051單片機(jī)最小系統(tǒng)完成。原產(chǎn)品的大部分邏輯控制電路可以簡化或去掉。控制邏輯盡可能轉(zhuǎn)換成軟件邏輯，使外部電路只剩下必不可少的驅(qū)動(dòng)線路。

控制器及所組成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則：第一，穩(wěn)定性和可靠性：模擬量輸入級的性能直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，必須從開始就要考慮應(yīng)用現(xiàn)場的環(huán)境情況，采取相應(yīng)的抗干擾措施，注意元器件的老化和篩選并選擇恰當(dāng)?shù)挠布?shù)，防止串?dāng)_及誤差的積累與擴(kuò)展。整個(gè)設(shè)計(jì)充分考慮簡化硬件電路，使用集成度高的元器件，提高器件組裝密度，以增加系統(tǒng)抗干擾性能，達(dá)到高的穩(wěn)定性和可靠性。第二，速度與精度：根據(jù)所給的整機(jī)誤差限值，按一定的規(guī)則預(yù)分配各個(gè)部件模塊所允許的誤差。系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中根據(jù)分配的允許誤差選定電路結(jié)構(gòu)、元器件性能。第三，功耗與大容量數(shù)據(jù)存儲：功耗是硬件設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的問題。元器件的選擇都是在能滿足性能要求的前提下，選擇較好性價(jià)比的低功耗元器件。在控制系統(tǒng)的工程應(yīng)用中，為獲取數(shù)據(jù)的最佳資料信息，采集數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)及現(xiàn)場簡易分析結(jié)果都需要保存，1片32MB的NAND Flash作為數(shù)據(jù)存儲區(qū)，以滿足較大容量數(shù)據(jù)存儲的需要。

不同的記憶截割方法采用不同的控制策略，這里采用的是采樣數(shù)據(jù)的完全再現(xiàn)模式。即在記憶截割工作期間，采煤機(jī)完全再現(xiàn)滾筒首次截割工作狀態(tài)，包括計(jì)算機(jī)儲存的相關(guān)信息參數(shù)：采煤機(jī)在工作面的位置（x=n△x）、采煤機(jī)的姿態(tài)（采煤機(jī)工作面方向傾角α和工作面推進(jìn)方向傾角β）、滾筒的截割高度HT（XK）、采煤機(jī)的牽引方向、牽引速度Vq。每次截割工作循環(huán)的采樣數(shù)據(jù)都成組存儲到計(jì)算機(jī)里 ，記為 ：{ XK，Hi（Xk），θi（Xk），αi（Xk），βi（Xk），Vq}，作為下一次或幾次截割循環(huán)的控制量。每當(dāng)采煤機(jī)換向截割時(shí)，都需要司機(jī)手動(dòng)操作完成。

2.2 記憶程控?cái)?shù)據(jù)存儲的方法

在采煤機(jī)的截割工作過程中，需要記憶存儲工作截割狀態(tài)的各種信息。采煤機(jī)滾筒調(diào)高記憶截割數(shù)據(jù)的存儲，按照不同的類型，可以分為不同的存儲方法。

比如按采煤機(jī)記憶截割的總存儲長度可分為：單向記憶截割存儲方法和雙向記憶截割存儲方法；按記憶截割數(shù)據(jù)的完整性程度可分為：完全記憶再現(xiàn)控制的存儲方法和不完全記憶再現(xiàn)控制的存儲方法。

這里應(yīng)用各種高精度的位移傳感器，采集雙向工作循環(huán)相關(guān)完整截割工作參數(shù)，由采樣間隔確定數(shù)組的個(gè)數(shù)，然后以數(shù)組的形式成組存儲到計(jì)算機(jī)中。因?yàn)椴擅簷C(jī)的牽引速度是變化的，所以在每一個(gè)采樣間隔內(nèi)，系統(tǒng)采用密集采樣稀疏存儲的方法，達(dá)到了節(jié)約存儲空間和提高運(yùn)算、調(diào)用速度的目的。系統(tǒng)以等位移采樣間隔作為采樣周期，使?jié)L筒調(diào)高至前次截割記憶高度時(shí)，采煤機(jī)更準(zhǔn)確地到達(dá)記憶的采樣間隔點(diǎn)，其誤差控制在一個(gè)小的計(jì)算機(jī)密集采樣周期內(nèi)，最終實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)滾筒的記憶程控再現(xiàn)。

3 結(jié)論

通過分析采煤機(jī)滾筒調(diào)高記憶程控的基本原理，系統(tǒng)采用密采稀存的方式，討論了采樣周期的確定，最后采用按位移來進(jìn)行采樣，本文關(guān)于采煤機(jī)記憶程控滾筒調(diào)高控制策略分析能有效控制采煤機(jī)滾筒的當(dāng)前姿態(tài)，以達(dá)到提高采煤機(jī)回采率和生產(chǎn)效率的目的，對于今后采煤機(jī)相關(guān)設(shè)計(jì)具有一定幫助。

[1]劉春生，楊秋，李春華.采煤機(jī)滾筒記憶程控截割的模糊控制系統(tǒng)仿真[J].煤炭學(xué)報(bào)，2008，33(7).

[2]劉春生，侯清泉.采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高記憶程控再現(xiàn)模式[J].煤礦機(jī)電，2004，5.