采煤機記憶截割自動化控制工作原理

陳梁昊

（山西焦煤西山煤電西銘礦， 山西 太原 030052）

引言

目前，我國使用的采煤機很多都具有記憶截割功能，但是由于工作面地質(zhì)條件不穩(wěn)定、夾矸石量大，仍然不能完全適合實際應用，另一方面，由于和液壓支架電壓控制系統(tǒng)和刮板輸送機聯(lián)動方面可能存在各種配合上的問題，很多煤礦的技術(shù)水平達不到記憶截割的應用條件[1-3]。因此，對記憶截割技術(shù)的理論和實踐研究仍然具有一定的挑戰(zhàn)性。

1 “三機”配合原理

如圖1 所示為典型的綜采工作面設備布置俯視圖，主要設備為滾筒采煤機、刮板輸送機和液壓支架，圖中“A-A”截面的側(cè)視圖展示了這三種設備的空間關(guān)系。采煤機的左右行走輪騎在刮板輸送機的銷排上，處于相互嚙合狀態(tài)，液壓支架布置于采空區(qū)一側(cè)。這三種設備相互配合、協(xié)同工作，共同完成自動化采煤流程，俗稱“三機配套”。在采煤機工作過程中，包含三個方向的運動，分別是沿刮板輸送機方向往復的牽引運動、向煤壁方向的推溜運動和滾筒上下的調(diào)高運動。采煤機在刮板輸送機上行走時的同時，滾筒不斷向前切割，前后滾筒分別將頂煤和底煤從煤壁上截割下來，掉落的煤塊通過螺旋葉片輸送到刮板輸送機上，刮板輸送機再將煤塊輸送至轉(zhuǎn)載機，轉(zhuǎn)載機一般帶有破碎機，進一步將煤塊破碎后，由刮板輸送機轉(zhuǎn)運至順槽的可伸縮帶式輸送機，由此將煤塊運輸至井上。在一個截割周期內(nèi)，由于煤層的厚度是變化的，因此采煤機司機需不斷調(diào)整滾筒高度，以盡量使?jié)L筒切割邊緣貼近煤層頂部。切割完一個周期后，液壓支架將刮板輸送機推向煤壁方向，然后液壓支架跟進，完成推溜動作，準備開始下一刀截割。在綜采工作面中，由于煤層厚度的變化是緩慢的，因此在每個截割周期內(nèi)，對于同樣的采煤機的位置，滾筒的適合高度總是相差不大的，因此可以通過采煤機位置、傾角等信息，確定滾筒截割下一刀的路徑。只需要經(jīng)驗豐富的采煤機司機進行一次人工示范操作，后面的操作可根據(jù)第一刀的截割路徑自動進行。

圖1 綜采工作面設備布置

2 記憶截割工作原理

在司機操作采煤機進行第一刀“示范刀”截割時，工作面的各類型傳感器實時采集采煤機位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)并將其存儲在計算機中，這些信息包括牽引方向和速度、滾筒位置、工作面長度、橫縱傾角。在自動截割模式下，計算機通過歷史數(shù)據(jù)確定下一個截割周期的滾筒高度，以此實現(xiàn)路徑記憶。以工作面方向為X軸正方向，采煤機推進方向為Y 軸正方向，滾筒向上調(diào)整方向為Z 軸正方向，建立空間直角坐標系。在進行第一刀截割時，在X 軸上均勻設置N 個采樣點，將其對應的采煤機位姿信息和當時每個點的滾筒高度記錄下來作為示范截割路徑，記為{A1，A2，…，AN}，第二次截割時，可結(jié)合采煤機的實時位姿信息和前一次截割的截割路徑，重復第一次的的截割路徑{B1，B2，…，BN}，以此作為循環(huán)進行采煤作業(yè)。在循環(huán)過程中，如果采煤機司機發(fā)現(xiàn)滾筒高度調(diào)整不合適，可以手動進行調(diào)整，調(diào)整后的路徑會被作為新的截割路徑被記憶下來。需要注意的是，由于控制精度問題，記憶截割的循環(huán)次數(shù)不宜過多，一般以4～5 個循環(huán)為宜。循環(huán)結(jié)束后需要再次將采煤機設置為手動操作模式，重新進行基準參數(shù)的設置，然后進行“示范刀”截割。

3 記憶截割系統(tǒng)架構(gòu)

記憶截割系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖2 所示，主要由傳感模塊、機載控制器、順槽控制器、執(zhí)行機構(gòu)以及他們之間的拘束傳輸網(wǎng)絡組成。機載傳感器包括牽引速度軸編碼器、機身傾角傳感器、左右搖臂傾角傳感器、左右截割電機溫度傳感器、左右牽引電機溫度傳感器、左右截割電機電流傳感器、左右牽引電機電流傳感器，其作用是采集采煤機的狀態(tài)信息。這些傳感器采集到相應的數(shù)據(jù)后，發(fā)送給機載控制器。機載控制器為PLC 控制器，其輸入模塊接收到機載傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)后，可以對這些數(shù)據(jù)進行處理，并通過以太網(wǎng)通訊模塊發(fā)送給遠程的順槽控制器。機載控制器可以進行模式選擇、狀態(tài)監(jiān)測、異常處理，并通過輸出模塊發(fā)出控制指令，以控制左右搖臂的上升或下降，電磁閥、采煤機自動電磁閥、牽引電機控制器接收到這些控制指令后，做出相應的調(diào)高或調(diào)速動作，完成自動截割。順槽控制器可以將所有監(jiān)控數(shù)據(jù)上傳至采煤機監(jiān)控平臺和無線MESH 交換機網(wǎng)絡管理平臺，實現(xiàn)遠程操控和網(wǎng)絡管理。

圖2 記憶截割系統(tǒng)的總體架構(gòu)

4 記憶截割控制流程

采煤機記憶截割控制流程如圖3 所示，采煤機開始采煤作業(yè)后，選擇采煤機的工作模式，記憶截割系統(tǒng)具有三種工作模式可供選擇：手動操作模式、自動運行模式、示范模式。選擇手動操作模式時，采煤機作業(yè)全程由司機控制，采煤機的牽引速度和滾筒高度均由司機操作經(jīng)驗決定。選擇自動運行模式后，需要進行示范模式判斷，在示范模式下，采集采煤機的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，并對此數(shù)據(jù)形成路徑記憶。如果選擇自動運行模式，則直接載入上次記憶的路徑，并對此路徑進行跟蹤。在跟蹤路徑過程中傳感器仍然實時采集數(shù)據(jù)，如果判斷發(fā)生了煤層厚度變化，還能根據(jù)自適應算法進行自動調(diào)節(jié)，重新形成記憶路徑。形成新的路徑后判斷采煤機狀態(tài)是否正常，如果正常則機載控制器向左右搖臂以及牽引電機等執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制指令，如果采煤機狀態(tài)異常，則需要司機進行人工干預，形成新的路徑。

圖3 采煤機記憶截割控制流程

5 結(jié)語

記憶截割是一種智能化程度很高的綜采工作面自動化技術(shù)，通過采集采煤機的位置和姿態(tài)信息，參照示范刀的截割路徑，可以使采煤在沒有人工干預的情況下完成數(shù)個截割周期，實現(xiàn)采煤效率最大化，減輕采煤機司機的勞動強度。智能傳感技術(shù)、無線網(wǎng)絡通信技術(shù)、截割路徑優(yōu)化技術(shù)將是記憶截割技術(shù)未來的發(fā)展和研究方向。