采煤機(jī)記憶截割控制系統(tǒng)研究

毛志冬

摘 要：采煤機(jī)是綜合機(jī)械化采煤的核心設(shè)備，其中，采煤機(jī)滾筒的自動(dòng)記憶調(diào)高是自動(dòng)化采煤工藝的重要環(huán)節(jié)，其能夠保證煤炭的質(zhì)量和設(shè)備的可靠性。通過(guò)系統(tǒng)研究采煤機(jī)記憶截割控制系統(tǒng)，分析其工作原理和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為煤炭產(chǎn)業(yè)的有序發(fā)展提供支持。

關(guān)鍵詞：采煤機(jī)；記憶截割；控制系統(tǒng)；采煤工藝

中圖分類(lèi)號(hào)：TD421.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.22.119

在傳統(tǒng)的采煤機(jī)工作中，滾筒高度需要人工控制，并通過(guò)采煤機(jī)司機(jī)目視和聽(tīng)噪聲的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)滾筒是否需要割頂和對(duì)底板巖層的判斷，然后有效調(diào)節(jié)截割滾筒的垂直位置。但由于采煤工作環(huán)境能見(jiàn)度低、煤塵大、噪聲大，因此會(huì)影響司機(jī)準(zhǔn)確判斷采煤機(jī)的截割狀態(tài)，容易造成截割頂?shù)装鍘r石機(jī)器損壞等安全事故。對(duì)此，需要設(shè)計(jì)、安裝符合采煤機(jī)工作環(huán)境的自動(dòng)控制系統(tǒng)，為采煤機(jī)的安全、可靠運(yùn)行提供保障。

1 采煤機(jī)記憶截割的工作原理

采煤機(jī)的記憶截割是傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，是基于智能化操控系統(tǒng)的控制策略。其工作原理是在示范模式下，采煤機(jī)在司機(jī)的控制下根據(jù)采煤工作面煤層的高低起伏條件截割一刀的操作。智能化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行工作的行程位置、滾筒的高度位置、采煤機(jī)的運(yùn)行姿態(tài)和牽引方向速度等信息數(shù)據(jù)的記錄和分析，能找出最優(yōu)的截割路徑，然后啟動(dòng)記憶截割模式。采煤機(jī)的工作系統(tǒng)在智能系統(tǒng)的控制下自動(dòng)跟蹤第一刀的截割路徑，實(shí)現(xiàn)了截割過(guò)程的自動(dòng)化。但在煤層條件出現(xiàn)較大變化時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)發(fā)出告知信息，需要采煤機(jī)司機(jī)手動(dòng)控制采煤。在這種情況下，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記憶調(diào)整過(guò)的工作參數(shù)，替換之前存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，為以后切割時(shí)滾筒的調(diào)高提供數(shù)據(jù)依據(jù)。這種工作方法是可以采取人工干預(yù)的自動(dòng)化操作方式，司機(jī)可以及時(shí)調(diào)整滾筒的位置，并不受采煤機(jī)記憶數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)的限制。

2 采煤機(jī)記憶截割控制的實(shí)現(xiàn)

2.1 采煤機(jī)的工作流程

采煤機(jī)在正常工作中，需要沿著托板運(yùn)輸機(jī)導(dǎo)軌既定的方向行進(jìn)，機(jī)械設(shè)備的左右搖臂只能在機(jī)身平面的相對(duì)范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。采煤機(jī)在行進(jìn)時(shí)，由于自身的速度會(huì)產(chǎn)生一定的加速度，所以需要準(zhǔn)確掌握采煤機(jī)的精確位置、左右搖臂與機(jī)身的夾角角度、采煤機(jī)的行走速度和加速度的數(shù)值。這樣就可以復(fù)現(xiàn)采煤機(jī)工作運(yùn)行的過(guò)程和司機(jī)的截割操作等，為記憶截割控制系統(tǒng)的有效工作提供保障。

2.2 采煤機(jī)記憶截割控制策略

采煤機(jī)的滾筒在實(shí)際的切割工作中由于牽引速度、煤層品質(zhì)和切割深度的不同，導(dǎo)致對(duì)象模型參數(shù)出現(xiàn)較大的非線(xiàn)性即時(shí)變性，不能依靠簡(jiǎn)單的幾何計(jì)算和數(shù)學(xué)解析模型實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)的精確控制，但經(jīng)驗(yàn)豐富的司機(jī)可以利用機(jī)械的操作記憶曲線(xiàn)采取適當(dāng)?shù)恼{(diào)高控制措施。因此，采煤機(jī)記憶截割技術(shù)的重要控制策略是將人工熟練的技術(shù)應(yīng)用到自動(dòng)截割流程中去。

2.3 記憶截割控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

采煤記憶截割試驗(yàn)臺(tái)由檢測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分構(gòu)成。其中，系統(tǒng)的檢測(cè)模塊由三軸加速度傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器、單周陀螺儀、左右搖臂角度傳感器和采集卡組成，其有效運(yùn)行依靠傳感器捕捉的信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)空間姿態(tài)的有效判斷，數(shù)據(jù)信息在控制器的分析、比對(duì)后被發(fā)送至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)操作行為的有效控制。根據(jù)采煤機(jī)的工作原理，我們?yōu)樵囼?yàn)臺(tái)設(shè)置了自動(dòng)控制和手動(dòng)控制操作功能。手動(dòng)控制是自動(dòng)控制的配合和補(bǔ)充，由司機(jī)利用鍵盤(pán)或按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的左右牽引和滾筒上下調(diào)高的控制。手動(dòng)控制中，不同功能的控制按鈕可以控制系統(tǒng)不同的執(zhí)行部件。通過(guò)采集卡的數(shù)字口，輸出經(jīng)放大器放大后的驅(qū)動(dòng)繼電器，實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備的左右搖臂升降、左右牽引和停止等操作。

PLC作為可編程邏輯控制器，是采用可編程的存儲(chǔ)器對(duì)邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)等指令進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，并通過(guò)模擬式輸入和輸出或數(shù)字控制方式指揮機(jī)械設(shè)備行進(jìn)的生產(chǎn)過(guò)程。PLC控制器是大型機(jī)械設(shè)備常用的執(zhí)行控制器，但由于其體系結(jié)構(gòu)的封閉性，各廠(chǎng)家的硬件體系互不兼容，需要在采煤機(jī)機(jī)械中安裝與其對(duì)應(yīng)的元件。

2.4 控制系統(tǒng)中記憶數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)

在記憶截割的設(shè)計(jì)過(guò)程中，最關(guān)鍵的問(wèn)題是存儲(chǔ)記憶數(shù)據(jù)。首先要確保數(shù)據(jù)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，為后期的處理提供真實(shí)、可靠的信息源。在存儲(chǔ)記憶數(shù)據(jù)時(shí)，既可以利用文件或文檔類(lèi)存儲(chǔ)的方式將需要保存的數(shù)據(jù)按順序存儲(chǔ)在文件中，在需要時(shí)調(diào)用該文件，還可以在硬件資源配置完備的情況下，在程序中建立一個(gè)靜態(tài)存儲(chǔ)表，當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，直接讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，而操作結(jié)束后，數(shù)據(jù)可以重新發(fā)送回 Flash 中，防止掉電或系統(tǒng)誤操作等造成的數(shù)據(jù)丟失。

2.5 記憶截割中采煤機(jī)位置的確定

在采煤機(jī)的記憶截割過(guò)程中，要基于機(jī)械設(shè)備的位置和工作過(guò)程設(shè)計(jì)程序，利用可靠的傳感器、定位器等檢測(cè)和記錄位置信息。由于采煤機(jī)本身有一定的長(zhǎng)度，且自身的長(zhǎng)度比行走距離的精度要求值要大很多，因此不能將機(jī)械設(shè)備作為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)來(lái)確定采煤機(jī)的位置，而要選擇采煤機(jī)中的左牽引電機(jī)作為測(cè)量點(diǎn)。采煤機(jī)的位置通過(guò)多種軟硬件協(xié)助檢測(cè)的方式實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)定，通過(guò)牽引電機(jī)同軸編碼器測(cè)得的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速或變頻器控制單元測(cè)量的牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)計(jì)算當(dāng)前位置，保證在一種檢測(cè)方式失效時(shí)采煤機(jī)能繼續(xù)正常工作。在采煤機(jī)牽引中，由于機(jī)械原因會(huì)形成累積誤差，因此要在支架上安裝具有位置修正功能的位置同步器，以保證測(cè)量位置的可信度。

3 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)大量的常規(guī)工作實(shí)驗(yàn)和智能系統(tǒng)的分析，采煤機(jī)記憶截割控制實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的宏觀(guān)設(shè)計(jì)和逐層功能的搭建，形成了簡(jiǎn)單易行的記憶截割策略，對(duì)采煤系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和多余功能模塊的刪減等具有重要作用，充分保障了系統(tǒng)性能的穩(wěn)定、可靠，有助于提高礦山作業(yè)的安全性，降低生產(chǎn)成本和勞動(dòng)強(qiáng)度，推動(dòng)我國(guó)煤炭機(jī)械朝著自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展，為安全、高效的采煤機(jī)綜采面的設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]張福建.電牽引采煤機(jī)記憶截割控制策略的研究[D].北京：煤炭科學(xué)研究總院，2007.

[2]曾志強(qiáng)，吳艷，張侃諭.基于恒功率控制的采煤機(jī)記憶截割實(shí)現(xiàn)[J].儀表技術(shù)，2013（05）.

〔編輯：王霞〕