采煤機(jī)記憶截割控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

韻 凱

（西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山西 太原 030053）

引言

實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的智能化是實(shí)現(xiàn)少人、無人綜采工作面的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而采煤機(jī)記憶截割技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)之一[1-2]。采煤機(jī)記憶截割技術(shù)是基于采煤機(jī)司機(jī)正常截割煤壁時(shí)的示教數(shù)據(jù)，并根據(jù)關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)繪制頂?shù)装迩€，進(jìn)而控制采煤機(jī)截割滾筒按照頂?shù)装迩€進(jìn)行自動(dòng)截割。采煤機(jī)自動(dòng)截割時(shí)，采煤機(jī)司機(jī)可根據(jù)實(shí)際截割滾筒截割狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程人工修正，以達(dá)到較理想的自動(dòng)截割效果。采煤機(jī)每截割完一刀后，需要進(jìn)行自學(xué)習(xí)，修正并優(yōu)化頂?shù)装迩€。國(guó)內(nèi)較多的煤礦綜采工作面加裝了攝像頭、傳感器以及無線感知模塊用于采集采煤機(jī)工作數(shù)據(jù)，為采煤機(jī)智能化、信息化提供數(shù)據(jù)支撐，但并未產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性效果，反而增加了采煤機(jī)外部設(shè)備的維護(hù)、維修工作。具有代表性的黃陵礦1001工作面的采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)了人工遠(yuǎn)程干預(yù)+自動(dòng)記憶截割控制模式，但是系統(tǒng)的穩(wěn)定性和協(xié)同性有待提高，截割效果也有較大的提升空間[3-5]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采煤機(jī)記憶截割控制系統(tǒng)框圖見圖1，由傳感器采集采煤機(jī)截割電動(dòng)機(jī)溫度、電流以及液壓系統(tǒng)的油溫、油壓、油位、水流量數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊后以CAN總線通訊模式傳送至主控制器；獲取的傳感器數(shù)據(jù)還包括采煤機(jī)位置、截割滾筒實(shí)時(shí)高度、截割滾筒傾角，動(dòng)態(tài)掌握采煤機(jī)工作狀態(tài)；采煤機(jī)牽引部由左右兩臺(tái)變頻器分別驅(qū)動(dòng)左右牽引電機(jī)，實(shí)現(xiàn)變頻牽引。主控制器獲取采煤機(jī)傳感器數(shù)據(jù)、變頻器數(shù)據(jù)、左右遙控器數(shù)據(jù)以及左右端頭操作站數(shù)據(jù)后通過擴(kuò)展的I/O輸出點(diǎn)驅(qū)動(dòng)接觸器動(dòng)作，進(jìn)而完成對(duì)采煤機(jī)左右截割系統(tǒng)、破碎系統(tǒng)以及油泵系統(tǒng)的控制；同時(shí)將采煤機(jī)截割狀態(tài)數(shù)據(jù)傳送至人機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示；在遠(yuǎn)端設(shè)置遠(yuǎn)程操作平臺(tái)，可完成遠(yuǎn)程監(jiān)控以及關(guān)鍵動(dòng)作的遠(yuǎn)程控制。

圖1 采煤機(jī)記憶截割系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 記憶截割方案的設(shè)計(jì)

2.1 人工示教過程

采煤機(jī)人工示教過程即人工學(xué)習(xí)過程，采煤機(jī)司機(jī)操作采煤機(jī)沿煤壁截割一刀，控制系統(tǒng)自動(dòng)記錄左右截割滾筒采高，繪制煤壁頂板、底板曲線。獲取頂?shù)装迩€方法有雙刀前滾筒高后滾筒低采樣、單刀向右采樣以及單刀向左采樣三種[8-10]。雙刀前滾筒高后滾筒低采樣時(shí)，需完成兩個(gè)整刀過程，沿采煤機(jī)前進(jìn)方向的截割滾筒抬高并進(jìn)行割頂煤操作，后滾筒放底割底煤，沿前進(jìn)方向割完一整刀后，反向再完成一整刀截割過程。采煤機(jī)處理左右端頭時(shí)，停止數(shù)據(jù)采樣，進(jìn)行整刀截割時(shí)開始采樣。該人工示教的優(yōu)點(diǎn)為前后截割滾筒的數(shù)據(jù)相互獨(dú)立，數(shù)據(jù)間的干擾較小且不影響采煤機(jī)司機(jī)的正常工作；缺點(diǎn)為耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，即采煤機(jī)處理左右端頭時(shí)消耗的時(shí)間較長(zhǎng)。單刀向右采樣時(shí)，采煤機(jī)最優(yōu)的初始地址為工作面左端一個(gè)采煤機(jī)機(jī)身位置，向右割透煤壁后繼續(xù)向右沿工作面截割煤壁，右截割滾筒抬高，左截割滾筒臥底，同時(shí)記錄左右截割滾筒高度，繪制頂?shù)装迩€。該人工示教的優(yōu)點(diǎn)是耗時(shí)較少，避免了傳感器安裝誤差和自身誤差的影響；缺點(diǎn)是采煤機(jī)的初始位置選擇較為關(guān)鍵，當(dāng)采煤機(jī)初始位置位于工作面中部時(shí)，需上行、下行兩個(gè)人工示教過程；另外，當(dāng)截割滾筒數(shù)據(jù)的偏差較大時(shí)，該過程需人工調(diào)節(jié)。單刀向右采樣過程與單刀向左采樣過程相似，只是采煤機(jī)初始位置信息不同且運(yùn)行方向相反。

2.2 自適應(yīng)學(xué)習(xí)過程

采煤機(jī)記憶截割學(xué)習(xí)過程采用基于人工免疫算法，對(duì)人工示教過程采集到的截割滾筒采樣點(diǎn)進(jìn)行記憶獲取和自適應(yīng)學(xué)習(xí)；利用“排外”和“處理非我”的特性將嚴(yán)重偏離的采樣點(diǎn)剔除，優(yōu)化并繪制更加真實(shí)的工作面頂?shù)装迩€。對(duì)非正常采樣點(diǎn)進(jìn)行篩取時(shí)，定義兩個(gè)檢測(cè)器，檢測(cè)器一用于生成抗體，定義對(duì)采煤機(jī)截割滾筒采高為YN，前一點(diǎn)采高為YN-1，后一點(diǎn)采高為YN+1，定義前后兩次采高均值為式（1）：

根據(jù)式（1）得到采煤機(jī)截割滾筒采高點(diǎn)親和度集合式（2）：

當(dāng)連續(xù)兩個(gè)采高點(diǎn)數(shù)據(jù)偏差較大時(shí)，則該數(shù)據(jù)為異常數(shù)據(jù)[11-12]。對(duì)采高點(diǎn)異常數(shù)據(jù)可根據(jù)免疫算法進(jìn)行修正，假設(shè)YN為異常數(shù)據(jù)點(diǎn)，YN+1為該點(diǎn)前一點(diǎn)采高值，YN-1為該點(diǎn)后一點(diǎn)采高值，則修正值可定義為式（3）：

如果出現(xiàn)連續(xù)個(gè)異常點(diǎn)時(shí)，則修正值可表示為式（4）：

式中：YN+P為前面第N個(gè)點(diǎn)的采高；YN-P為后面第N個(gè)點(diǎn)的采高。

采煤機(jī)記憶截割學(xué)習(xí)流程見圖2所示，在人工示教階段時(shí)，首先完成參數(shù)設(shè)置過程，其次完成傳感器數(shù)據(jù)采集并根據(jù)結(jié)果繪制基礎(chǔ)頂?shù)装迩€并與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)攝像頭繪制的真實(shí)頂?shù)装迩€進(jìn)行比較，如果數(shù)據(jù)差異過大，則進(jìn)行人工修正；如果無法進(jìn)行人工修正，則觸發(fā)狀態(tài)異常報(bào)警[13-16]；繪制的基礎(chǔ)頂?shù)浊€與真實(shí)頂?shù)浊€差異不大或者經(jīng)過人工修正后，即可作為采煤機(jī)自動(dòng)截割的參考曲線。在學(xué)習(xí)階段時(shí)，完成采煤機(jī)記憶截割系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置后，啟動(dòng)自動(dòng)截割過程，實(shí)時(shí)跟蹤前后截割滾筒的采高并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

圖2 采煤機(jī)記憶截割學(xué)習(xí)流程

3 應(yīng)用分析

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的采煤機(jī)記憶截割控制系統(tǒng)的實(shí)用性和有效性，在某煤機(jī)廠總裝車間進(jìn)行整機(jī)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，試驗(yàn)用的采煤機(jī)機(jī)型為MG620/1660，其關(guān)鍵參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)用采煤機(jī)關(guān)鍵參數(shù)列表

首先完成人采用單刀向右采樣法進(jìn)行采煤機(jī)截割人工示教，并繪制基礎(chǔ)頂?shù)装迩€，完成與真實(shí)頂?shù)装迩€的比較和修正。在啟動(dòng)采煤機(jī)記憶截割過程時(shí)，設(shè)置采煤機(jī)記憶截割參數(shù)，見下頁(yè)表2所示。按下“啟動(dòng)”鍵后，對(duì)采煤機(jī)記憶截割過程進(jìn)行模擬測(cè)試。根據(jù)采煤工藝流程，分別進(jìn)行單刀、雙刀割煤測(cè)試，同時(shí)對(duì)截割滾筒上升、截割滾筒下降、采煤機(jī)牽引部自動(dòng)切換方向等動(dòng)作進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)記錄并繪制采煤機(jī)前后截割滾筒高度曲線，與真實(shí)曲線以及記憶曲線進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)該記憶截割方案能夠保證采煤機(jī)記憶截割安全、穩(wěn)定運(yùn)行，滿足綜采工作面采煤工藝流程，可達(dá)到預(yù)期效果。

4 結(jié)語

采煤機(jī)截割是動(dòng)態(tài)、非線性、時(shí)變的復(fù)雜過程，基于免疫算法對(duì)采集到左右截割滾筒高度數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行分析和修正，優(yōu)化頂?shù)装迩€，為采煤機(jī)自動(dòng)截割提供參考，實(shí)現(xiàn)記憶截割過程。文中給出采煤機(jī)記憶截割控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，重點(diǎn)分析了人工示教和自適應(yīng)學(xué)習(xí)過程，并完成方案試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明了設(shè)計(jì)的采煤機(jī)記憶截割控制系統(tǒng)的實(shí)用性和有效性。