采煤機截割滾筒防碰撞監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用研究

呂 文

（山西省煤炭建設(shè)監(jiān)理有限公司， 山西 太原 030012）

引言

采煤機作為煤礦井下一種關(guān)鍵的綜采設(shè)備，主要通過與刮板輸送機、液壓支架的聯(lián)動運行，實現(xiàn)綜采面的截割作業(yè)，在實際操作過程中，通常依靠采煤機操作人員目視對截割滾筒和液壓支架護幫板的相互位置進行判斷，使護幫板升起后再進行截割作業(yè)。由于煤礦井下綜采作業(yè)時處于高塵環(huán)境，能見度較低，因此經(jīng)常出現(xiàn)判斷錯誤，導致截割滾筒和護幫板出現(xiàn)碰撞，使截割滾筒截齒斷裂，嚴重影響井下綜采作業(yè)進度，也給綜采面作業(yè)人員的生命安全帶來較大的隱患。因此結(jié)合近年來發(fā)展迅速的視頻監(jiān)控和視覺檢測技術(shù)，本文提出了一種新的基于視頻監(jiān)控的采煤機截割滾筒防碰撞系統(tǒng)，該系統(tǒng)極大地提升了采煤機煤礦井下綜采作業(yè)的穩(wěn)定性[1]。

1 采煤機、液壓支架、刮板輸送機協(xié)同動作關(guān)系

煤礦井下綜采作業(yè)的過程實際上是采煤機、液壓支架、刮板輸送機協(xié)同運行的過程，采煤機沿著刮板輸送機的銷排運行，液壓支架則根據(jù)采煤機的截割位置變化不斷地進行移架、支撐、收放護幫板的動作，實現(xiàn)跟機協(xié)調(diào)運行，共同確保煤礦井下綜采作業(yè)的順利進行。在協(xié)同運行過程中由于液壓支架護幫板的收放需要在短時間內(nèi)完成伸縮前梁的收回以及護幫板的旋轉(zhuǎn)，煤礦井下的工況復(fù)雜，液壓支架長期工作過程中因煤壁干涉、液壓油泄露等均會導致護幫板在收回時候前梁的回收距離偏短或者護幫板旋轉(zhuǎn)角度偏小，使護幫板端部和采煤機截割滾筒出現(xiàn)干涉[2]，導致機架和滾筒的損壞。采煤機、刮板輸送機、液壓支架的協(xié)同動作關(guān)系如圖1 所示。

2 采煤機截割滾筒防碰撞監(jiān)控系統(tǒng)

圖1 采煤機、液壓支架、刮板輸送機協(xié)同運行關(guān)系示意圖

根據(jù)采煤機與液壓支架之間的相互協(xié)同運行關(guān)系，本文提出了一種新的采煤機截割滾筒防碰撞監(jiān)控系統(tǒng)，該監(jiān)控系統(tǒng)以機器視覺檢測技術(shù)為核心，對液壓支架護幫板的位置狀態(tài)進行檢測，同時以PLC控制核心和采煤機自身的電液控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息實現(xiàn)對采煤機截割滾筒截割高度和位置信息的監(jiān)控，利用該監(jiān)控數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)建起截割滾筒和液壓支架護幫板的相互位置模型，從而實現(xiàn)對采煤機截割滾筒和液壓支架護幫板位置的監(jiān)測和報警。同時該監(jiān)測系統(tǒng)能夠利用數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)將護幫板的位置狀態(tài)信息和與采煤機截割滾筒之間的距離監(jiān)控信息實時傳輸?shù)降孛嫔系谋O(jiān)控中，滿足遠程監(jiān)測和控制的需求。該防碰撞監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如下頁圖2 所示[3]。

3 防碰撞系統(tǒng)傳感器設(shè)備的布置及防碰撞邏輯

該系統(tǒng)能夠有效防止截割滾筒和護幫板相碰撞的基礎(chǔ)在于各類傳感器設(shè)備對采煤機和護幫板運行狀態(tài)的實時監(jiān)測，因此對各類傳感器設(shè)備的布置要求較高。為了實現(xiàn)對液壓支架護幫板位置的采集，在液壓支架頂梁的下側(cè)設(shè)置一組防爆相機，對液壓支架頂梁的運行情況進行動態(tài)視頻監(jiān)控，并將監(jiān)控結(jié)果轉(zhuǎn)換為視頻信號，通過井下工業(yè)傳輸?shù)降孛嫔系谋O(jiān)控中心，在監(jiān)控中心內(nèi)通過對視頻監(jiān)控圖像的增強處理和位姿解算即可求出護幫板的位置姿態(tài)信息，判斷護幫板是否回收到位。

圖2 防碰撞監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在采煤機的搖臂和機身結(jié)合的位置設(shè)置一個傾角傳感器[4]，可以對采煤機搖臂的傾角變化情況實時進行監(jiān)控，根據(jù)預(yù)設(shè)的傾角和截割滾筒高度的對應(yīng)關(guān)系，直接換算出不同傾角狀態(tài)下采煤機的截割滾筒高度信息。在采煤機的機身位置設(shè)置一個紅外線位置傳感器，對采煤機運行過程中在水平方向上的位置信息進行判斷，將采煤機的高度信息和位置信息均通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)降孛婵刂浦行?，控制中心生成采煤機和液壓支架滾筒的相對位置關(guān)系三維模型，結(jié)合系統(tǒng)所監(jiān)測到的采煤機護幫板的回收位置狀態(tài)，自動對采煤機和截割滾筒發(fā)生碰撞的概率進行計算，當系統(tǒng)計算會出現(xiàn)碰撞時，一方面控制采煤機的進給機構(gòu)，實現(xiàn)降速運行，另一方面控制對應(yīng)液壓支架的護幫板，使其加快回收，實現(xiàn)自動防碰撞控制，各監(jiān)測傳感器如圖3 所示。

4 結(jié)論

1）液壓支架長期工作過程中因煤壁干涉、液壓油泄露等均會導致護幫板在收回時候前梁的回收距離偏短或者護幫板旋轉(zhuǎn)角度偏小，可造成截割滾筒和護幫板碰撞的主要原因。

圖3 各監(jiān)測傳感器實物圖

2）該監(jiān)控數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)利用截割滾筒和液壓支架護幫板的相互位置模型，實現(xiàn)對采煤機截割滾筒和液壓支架護幫板位置的監(jiān)測和報警。

3）監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)⒉擅簷C的高度信息和位置信息通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)降孛婵刂浦行?，控制中心生成采煤機和液壓支架滾筒的相對位置關(guān)系三維模型，結(jié)合系統(tǒng)所監(jiān)測到的采煤機護幫板的回收位置狀態(tài)，自動對采煤機和截割滾筒發(fā)生碰撞的概率進行計算，當系統(tǒng)計算會出現(xiàn)碰撞時，一方面控制采煤機的進給機構(gòu)，實現(xiàn)降速運行，另一方面控制對應(yīng)液壓支架的護幫板，使其加快回收，實現(xiàn)自動防碰撞控制。