自動(dòng)化采煤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

耿澤昕，　宋建成，　許春雨，　田慕琴，　于亞運(yùn)，　付峻青，　徐建斌

(1.太原理工大學(xué) 煤礦電氣設(shè)備與智能控制山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原　030024；

2.山西晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 技術(shù)研究院有限責(zé)任公司， 山西 晉城　048006；

3.山西晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 成莊煤礦， 山西 晉城　048006)

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自動(dòng)化采煤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

耿澤昕1，宋建成1，許春雨1，田慕琴1，于亞運(yùn)1，付峻青2，徐建斌3

(1.太原理工大學(xué) 煤礦電氣設(shè)備與智能控制山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原030024；

2.山西晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 技術(shù)研究院有限責(zé)任公司， 山西 晉城048006；

3.山西晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 成莊煤礦， 山西 晉城048006)

摘要：針對(duì)目前國(guó)內(nèi)綜采工作面自動(dòng)化程度低的問(wèn)題，提出了一種自動(dòng)化采煤控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)闡述了該系統(tǒng)自動(dòng)化采煤控制工藝及其實(shí)現(xiàn)方案。該系統(tǒng)采用RS485雙總線通信模式，通過(guò)支架控制器將采煤機(jī)位置、液壓支架狀態(tài)等參數(shù)實(shí)時(shí)上傳至端頭服務(wù)器，端頭服務(wù)器將參數(shù)上傳至集控計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示，集控計(jì)算機(jī)通過(guò)端頭服務(wù)器向支架控制器發(fā)送控制命令，完成對(duì)液壓支架動(dòng)作的雙閉環(huán)控制，同時(shí)集控計(jì)算機(jī)向采煤機(jī)控制器發(fā)送控制命令，自動(dòng)控制采煤機(jī)搖臂高度，從而實(shí)現(xiàn)工作面自動(dòng)化采煤。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化采煤； 采煤機(jī)； 液壓支架； 雙閉環(huán)控制

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160405.0850.003.html

0引言

隨著綜采技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)綜采工作面越來(lái)越長(zhǎng)，對(duì)自動(dòng)化技術(shù)要求越來(lái)越高，但對(duì)相應(yīng)設(shè)備的控制相對(duì)落后。對(duì)于液壓支架，大多采用簡(jiǎn)單的鄰架和成組移架操作，支架的移動(dòng)速度嚴(yán)重落后采煤機(jī)的割煤速度。目前，煤礦投入運(yùn)行的液壓支架電液控制系統(tǒng)越來(lái)越多，但受煤礦地質(zhì)條件的限制，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程并沒(méi)有達(dá)到理想的少人化或無(wú)人化程度；大多數(shù)系統(tǒng)只是將原先的手動(dòng)操作桿換成了電液控制器，煤礦自動(dòng)化生產(chǎn)并沒(méi)有從根本上得到改變[1-2]。對(duì)于采煤機(jī)的自動(dòng)控制，目前多采用煤巖界面自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過(guò)識(shí)別煤層與頂板間的顏色、形狀、光澤等基本特征，將煤層與頂板進(jìn)行分離，但在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的局限性。

本文設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)化采煤控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為基礎(chǔ)，以電液控制為核心，采用閉環(huán)控制模式，集成紅外遙測(cè)和傳感技術(shù)，通過(guò)集控計(jì)算機(jī)、端頭服務(wù)器、支架控制器、采煤機(jī)控制器之間的通信實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化采煤作業(yè)。

1系統(tǒng)總體方案

自動(dòng)化采煤控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。采煤機(jī)控制器接收集控計(jì)算機(jī)下發(fā)的命令，通過(guò)電液伺服閥控制采煤機(jī)搖臂伸縮油缸，進(jìn)而控制搖臂的高度。支架控制器和端頭服務(wù)器采用RS485雙總線模式進(jìn)行通信[3-5]，其中一路對(duì)支架控制器進(jìn)行巡檢，另一路對(duì)支架控制器發(fā)送控制命令，控制液壓支架動(dòng)作，配合行進(jìn)中的采煤機(jī)完成自動(dòng)化作業(yè)。支架控制器可以實(shí)時(shí)采集液壓支架壓力、位移等參數(shù)，并通過(guò)紅外接收模塊配合采煤機(jī)上的紅外發(fā)射裝置，確定采煤機(jī)位置。支架控制器將采煤機(jī)位置、液壓支架狀態(tài)等參數(shù)實(shí)時(shí)上傳到端頭服務(wù)器，端頭服務(wù)器將這些參數(shù)上傳到集控計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示。集控計(jì)算機(jī)根據(jù)這些參數(shù)，將控制工藝發(fā)送到端頭服務(wù)器，端頭服務(wù)器向特定編號(hào)的支架控制器發(fā)送控制命令，支架控制器通過(guò)電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊控制液壓支架動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)液壓支架的自動(dòng)控制。自動(dòng)控制要求支架控制器根據(jù)采煤機(jī)在綜采工作面運(yùn)行的實(shí)時(shí)位置控制液壓支架,使其完成相應(yīng)的支護(hù)動(dòng)作，為采煤機(jī)回采提供運(yùn)行軌道[6]。

圖1　自動(dòng)化采煤控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2自動(dòng)化采煤控制工藝

為實(shí)現(xiàn)安全、高效采煤作業(yè)，自動(dòng)化采煤必須依靠具體的控制工藝，本文根據(jù)某煤礦綜采工作面的生產(chǎn)要求，制定了16個(gè)控制工藝段，主要包括中間段割煤、刮板輸送機(jī)機(jī)頭斜切進(jìn)刀、刮板輸送機(jī)機(jī)頭割三角煤、刮板輸送機(jī)機(jī)尾斜切進(jìn)刀、刮板輸送機(jī)機(jī)尾割三角煤等。液壓支架和采煤機(jī)在不同的工藝段以不同方式配合，實(shí)現(xiàn)煤層的自動(dòng)化開(kāi)采。

根據(jù)煤層三維模型可確定整個(gè)工作面的長(zhǎng)度、寬度、采高和傾角。搖臂長(zhǎng)度(滾筒中心與搖臂耳座孔中心之間的距離)、采煤機(jī)運(yùn)行速度、液壓支架數(shù)量、液壓支架寬度等數(shù)據(jù)確定后，以工作面刮板輸送機(jī)機(jī)頭為起點(diǎn)，建立采煤機(jī)和液壓支架運(yùn)動(dòng)模型，采煤機(jī)和液壓支架運(yùn)行的每一個(gè)點(diǎn)都可用液壓支架推溜累計(jì)位移x和液壓支架編號(hào)y來(lái)確定，即有唯一確定的坐標(biāo)(x，y)。該坐標(biāo)處煤層的采高、推移行程都可唯一確定，得出采煤機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)和液壓支架運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.1采煤機(jī)自動(dòng)控制工藝

在采煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，集控計(jì)算機(jī)根據(jù)液壓支架推溜累計(jì)位移x及采集到采煤機(jī)位置信息的液壓支架編號(hào)y確定采煤機(jī)所處位置，通過(guò)檢索采煤機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)確定煤層的采高，計(jì)算得出采煤機(jī)搖臂需要調(diào)整的高度，達(dá)到自動(dòng)控制采煤機(jī)搖臂高度的目的。

2.2液壓支架自動(dòng)控制工藝

在液壓支架運(yùn)行過(guò)程中，集控計(jì)算機(jī)接收端頭服務(wù)器通過(guò)巡檢支架控制器得到的采煤機(jī)位置，并檢索液壓支架運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)得出液壓支架運(yùn)行的動(dòng)作、參數(shù)，通過(guò)端頭服務(wù)器將控制命令下發(fā)給支架控制器，由支架控制器控制液壓支架完成相關(guān)動(dòng)作。

控制命令格式如圖2所示。控制命令包括：支架編號(hào)，即動(dòng)作支架的編號(hào)；動(dòng)作代碼，代表液壓支架的動(dòng)作；推溜行程和拉架行程，分別代表液壓支架在推溜、拉架過(guò)程的位移；初撐壓力，即液壓支架在升架中觸碰到頂板時(shí)的壓力，達(dá)到此壓力時(shí)液壓支架應(yīng)該停止升架；極限時(shí)間，即液壓支架運(yùn)行的最大時(shí)間。

圖2控制命令格式

液壓支架動(dòng)作雙閉環(huán)控制如圖3所示。設(shè)置在支架控制器上的壓力傳感器和行程傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)液壓支架的動(dòng)作。在推溜過(guò)程中達(dá)到控制命令中的推溜行程以及升架過(guò)程中達(dá)到控制命令中的初撐壓力，液壓支架停止動(dòng)作；液壓支架運(yùn)行到極限時(shí)間，支架控制器發(fā)出停止命令，液壓支架停止動(dòng)作。這樣可防止液壓支架過(guò)度動(dòng)作造成工作面設(shè)備或頂板損壞。液壓支架運(yùn)行結(jié)束后，支架控制器采集液壓支架當(dāng)前推溜行程和立柱壓力并反饋至端頭服務(wù)器，端頭服務(wù)器判斷實(shí)際推溜行程和立柱壓力是否達(dá)到控制命令中的推溜行程和初撐壓力，若達(dá)到則向支架控制器發(fā)送下一個(gè)工藝段的控制命令，反之，則通過(guò)支架控制器控制未達(dá)到動(dòng)作的液壓支架進(jìn)行動(dòng)作糾正。

圖3　液壓支架動(dòng)作雙閉環(huán)控制

在液壓支架自動(dòng)控制過(guò)程中，液壓支架可能受到煤層阻力或設(shè)備阻礙，若經(jīng)過(guò)3次控制還沒(méi)有達(dá)到規(guī)定的動(dòng)作，端頭服務(wù)器則認(rèn)為液壓支架存在故障，發(fā)出報(bào)警并上傳集控計(jì)算機(jī)，提醒工人進(jìn)行人工處理。

3自動(dòng)化采煤控制工藝實(shí)現(xiàn)

根據(jù)自動(dòng)化采煤控制的需求，定義以下5個(gè)控制參數(shù)：滯后采煤機(jī)小循環(huán)(降架-拉架-升架)安全區(qū)域m；滯后采煤機(jī)推溜安全區(qū)域q；護(hù)幫板動(dòng)作(包括二級(jí)護(hù)幫板伸/收、一級(jí)護(hù)幫板伸/收、伸縮梁伸/收)安全區(qū)域c；彎曲段長(zhǎng)度k；采煤機(jī)長(zhǎng)度d。這些參數(shù)均以單個(gè)液壓支架寬度為單位，表示占多少個(gè)液壓支架寬度。此外，還需定義一些定位參數(shù)：采煤機(jī)中心位置處液壓支架編號(hào)P；刮板輸送機(jī)機(jī)頭彎曲段起始液壓支架編號(hào)E；刮板輸送機(jī)機(jī)尾彎曲段起始液壓支架編號(hào)F；采煤機(jī)運(yùn)行方向H，H=1表示采煤機(jī)由刮板輸送機(jī)機(jī)頭向刮板輸送機(jī)機(jī)尾運(yùn)行，H=-1表示采煤機(jī)由刮板輸送機(jī)機(jī)尾向刮板輸送機(jī)機(jī)頭運(yùn)行。

根據(jù)某煤礦綜采工作面的生產(chǎn)要求和實(shí)際情況，設(shè)置參數(shù)：m=8，q=12，c=6，k=10，d=11，E=22,F=98。以中間段割煤、刮板輸送機(jī)機(jī)尾斜切進(jìn)刀和刮板輸送機(jī)機(jī)尾割三角煤3個(gè)工藝段為例，說(shuō)明自動(dòng)化采煤控制過(guò)程。

(1) 中間段割煤(左行)。假設(shè)采煤機(jī)從工作面中間61號(hào)液壓支架處開(kāi)始向左割煤，采煤機(jī)在采煤機(jī)控制器的控制下自動(dòng)調(diào)整搖臂高度，完成割煤。考慮到安全因素，采煤機(jī)前滾筒只能行進(jìn)到2號(hào)液壓支架處，此時(shí)機(jī)身中心位于8號(hào)液壓支架處，即采煤機(jī)從61號(hào)液壓支架處開(kāi)始割煤，運(yùn)行到8號(hào)液壓支架處停止(8≤P≤61)。超前采煤機(jī)且坐標(biāo)為(x，P-c)的支架控制器接收端頭服務(wù)器的護(hù)幫板控制命令后，開(kāi)始收護(hù)幫板及收伸縮梁動(dòng)作；滯后采煤機(jī)且坐標(biāo)為(x，P+m)的支架控制器接收端頭服務(wù)器的小循環(huán)控制命令后，液壓支架降架，當(dāng)立柱壓力小于5 MPa時(shí)，認(rèn)為液壓支架已脫離頂板，開(kāi)始拉架，當(dāng)拉架位移等于控制命令中的拉架行程，停止拉架并開(kāi)始升架，當(dāng)立柱壓力達(dá)到控制命令中的初撐壓力時(shí)，停止升架，完成小循環(huán)；滯后采煤機(jī)且坐標(biāo)為(x，P+q)的支架控制器接收端頭服務(wù)器的推溜控制命令后，液壓支架進(jìn)行推溜，當(dāng)推溜位移等于控制命令中的推溜行程時(shí)，停止推溜；滯后采煤機(jī)且坐標(biāo)為(x，P+c)的支架控制器接收端頭服務(wù)器的護(hù)幫板控制命令后，控制液壓支架進(jìn)行伸護(hù)幫板及伸伸縮梁動(dòng)作。中間段割煤(左行)如圖4所示。

(2) 刮板輸送機(jī)機(jī)尾斜切進(jìn)刀(右行)。經(jīng)過(guò)2次刮板輸送機(jī)機(jī)尾掃底刀后，采煤機(jī)位于112號(hào)液壓支架處，為保證可靠的斜切進(jìn)刀，采煤機(jī)需運(yùn)行到92號(hào)液壓支架處，即在此工藝段采煤機(jī)從112號(hào)液壓支架處運(yùn)行到92號(hào)液壓支架處。從98號(hào)液壓支架到108號(hào)液壓支架，由支架控制器通過(guò)行程傳感器控制推溜，推溜位移為(n-98)/10 m(n=98，99，…，108)，形成彎曲段。滯后采煤機(jī)m個(gè)液壓支架寬度距離的液壓支架進(jìn)行小循環(huán)；滯后采煤機(jī)q個(gè)液壓支架寬度距離的液壓支架進(jìn)行推溜，并在彎曲段內(nèi)進(jìn)行斜切進(jìn)刀。在此工藝段，支架控制器對(duì)護(hù)幫板和伸縮梁動(dòng)作與中間段割煤類(lèi)似。刮板輸送機(jī)機(jī)尾斜切進(jìn)刀(右行)如圖5所示。

圖4　中間段割煤

(3) 刮板輸送機(jī)機(jī)尾割三角煤(左行)。采煤機(jī)向左割三角煤，端頭服務(wù)器不對(duì)支架控制器發(fā)送命令，液壓支架不進(jìn)行任何動(dòng)作，完成三角煤的切割。刮板輸送機(jī)機(jī)尾割三角煤(左行)如圖6所示。

圖5　刮板輸送機(jī)機(jī)尾斜切進(jìn)刀

圖6　刮板輸送機(jī)機(jī)尾割三角煤

4結(jié)論

(1) 設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)化采煤控制系統(tǒng)，結(jié)合自動(dòng)化采煤控制工藝，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制采煤機(jī)搖臂高度和液壓支架動(dòng)作，提高了采煤過(guò)程的自動(dòng)化水平。

(2) 提出了一種液壓支架動(dòng)作雙閉環(huán)控制模式。支架控制器通過(guò)傳感器檢測(cè)液壓支架動(dòng)作并反饋至端頭服務(wù)器，端頭服務(wù)器分析并判斷液壓支架動(dòng)作情況，發(fā)送控制命令至支架控制器，由支架控制器精確控制液壓支架動(dòng)作。

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Design of automatic coal mining control system

GENG Zexin1,SONG Jiancheng1,XU Chunyu1,TIAN Muqin1,YU Yayun1,

FU Junqing2,XU Jianbin3

(1.Shanxi Key Laboratory of Mining Electrical Equipment and Intelligent Control, Taiyuan University of

Technology, Taiyuan 030024, China; 2.Technology Research Institute Co., Ltd., Shanxi Jincheng

Anthracite Mining Group Co., Ltd., Jincheng 048006, China; 3.Chengzhuang Coal Mine, Shanxi

Jincheng Anthracite Mining Group Co., Ltd., Jincheng 048006, China)

Abstract:For problem of low automation degree of current fully-mechanized coal mining face, a design scheme of automatic coal mining control system was proposed, and realization scheme of automatic coal mining control technology of the system was expounded. The system adopts communication mode of dual RS485 buses to upload parameters including position of shearer and status of hydraulic support real-timely to terminal controller through support controller. Centralized control computer displays the parameters from the terminal controller. The centralized control computer sends control command to the support controller through the terminal controller in order to realize double closed-loop control of hydraulic support, and also sends control command to shearer controller in order to control ranging arm height of shearer, so as to realize automatic coal mining.

Key words:automatic coal mining; shearer; hydraulic support; double closed-loop control

中圖分類(lèi)號(hào)：TD632/67

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-04-05 08:50

文章編號(hào)：1671-251X(2016)04-0011-04

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.04.003

耿澤昕，宋建成，許春雨，等.自動(dòng)化采煤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(4)：11-14.