基于分級數字化監控的電牽引采煤機控制技術研究

李春龍

（山西晉煤集團晟泰能源投資有限公司，山西 晉城 048000）

古書院礦屬于老齡化礦井，采煤機、運輸機以及提升機等重要設備工作時間長，檢修頻率較高，同時固有煤層地質情況非常復雜，需要對整個礦井設備的智能監控展開細致深入的研究，實現設備操作人員減少的管理目標，以此來提升生產效率，降低工作風險。本文以電牽引采煤設備為對象，對該設備的工作過程和基本結構進行了細致分析，確立了控制系統的整體方案與核心技術，完善了該系統的整體結構和控制流程。

1 電牽引采煤機的基本結構及工作機理

隨著技術的進步，整個煤礦產業的機械化程度得到了快速提升，當前中、大型煤礦紛紛開始展開綜合機械化采煤(下文均以“綜采”代替)。眾多設備中，液壓支架、刮板輸送機以及采煤機三種設備因配合關系被稱為“三機配套”，使用中它們不僅要確保尺寸上的配合，同時還要實現工作過程中的協調，三者具體裝配情況可參考下圖1。

圖1 綜采工作面的“三機配套”

正常運行中，采煤機的往復運動通過左右兩側行走輪與輸送機銷軌的嚙合實現，兩側的油缸可以對滾筒高度進行調整確保能夠適應不同高度的煤層。設備在工作時前后兩螺旋滾筒分別對頂煤和底煤進行截割，割下的煤塊被螺旋葉片送入刮板輸送設備。通過輸送機的工作，煤塊最終從輸送機頂端卸下進入轉載機，煤塊經破碎機破碎后由橋式轉載機輸送到帶式輸送設備，上述流程即為采煤、轉運以及運輸工作的全部過程。

2 采煤機智能控制系統的控制方案

牽引速度和滾筒高度的智能調節是采煤設備智能控制的兩項主要工作。高度智能調節即要求滾筒截高可以根據煤巖界面的變化而變化，從而確保設備時刻處于最大回采狀態。牽引的智能調節主要為設備橫向運動過程中的速度控制。該方面的智能控制可以提升設備對煤層變化的適應能力，確保頂底板出現變化時系統能夠通過調整牽引速度來減少對巖石和底板的切割并提供足夠的調節空間與時間。

下圖2展示的為整個系統的控制流程。通過該流程系統在實現牽引速度與滾筒高度智能調節的同時，還確保了兩者的協調。設備運行時先由人工控制切割工作，進行該過程時控制裝置會對設備的狀態和姿態進行記錄。通過對數據信息的歸類處理和智能計算，系統可以對下一刀的煤層狀態進行預測并生成光滑曲線作為切割滾筒跟蹤的目標。傳感裝置收集到的數據還用來對設備運行情況進行判定，設備運行出現問題時系統會開啟智能調速模式，此模式能夠對設備運行狀態進行調整從而恢復正常運行，同時令設備按照優化后的路徑實施開采工作。當設備無法通過智能調速恢復正常運行時，系統會對滾筒高度和牽引速度進行協調統一的調控，以確保運行的安全合理與高效。

圖2 采煤機的智能控制流程

2.1 采煤機智能控制系統的總體結構

本文按照總體分布結構的差異，將該系統劃分為三個不同層次，分別是地面、順槽與機載三個監控系統。機載監控與順槽控制裝置采用了無線傳輸信號，順槽控制裝置與地面調度裝置則通過光纖連接。

2.2 采煤機機載監控系統

機載監控系統在采煤工作過程中非常重要，該系統不僅負責執行控制指令和閉鎖保護功能，同時還用來獲取采煤機的運行與狀態等訊息。該系統主要包括機載控制裝置、傳感設備與本安型無線交換機三部分。

（1）機載監控系統最核心的部件為控制器，該裝置在功能設計上選用了模塊形式，其中主要模塊有輸入、數據處理、故障處理、狀態評測以及智能控制、煤層分布邊界預測、網絡通訊和輸出等等。硬件方面系統選用了SIMATIC S7-300系列，此系列硬件能夠保證系統的穩定性，同時可以進行系統的后續擴展。

（2）傳感器是該系統中的另一關鍵性部件，為了更好地實現智能化控制，采煤機的各個重要位置都裝有傳感裝置。眾多傳感器融合組成了整個傳感系統，它們提供的實時數據是實現智能控制的重要條件。下表1記錄了各個傳感器的對應目標和數據應用方向。

表1 采煤機智能控制系統的各傳感設備

2.3 采煤機順槽監控系統

順槽監控系統是聯系地面監控與機載監控兩系統的核心樞紐。通常順槽集控中心被設置在工作面運輸巷內，其主要作用是接收控制器采集的各項數據，并將收到的數據進行處理和轉存之后發送給地面與機載兩個監控系統。

順槽監控系統的數據處理與傳輸功能是由多個平臺聯合實現的，其中主要包括WinCC、視頻以及數字化三維虛擬現實這三項監控平臺和MESH網絡管理平臺。這些平臺統一由順槽集控中心的主控計算機控制運行，其中利用S7協議WinCC可以直接獲取到隔爆型順槽控制器內的相關數據訊息，工作人員由此可以實時掌握采煤機的運行情況。通過OPC虛擬現實監控平臺同樣能夠及時獲取設備的運行參數，利用三維模型平臺能夠清晰模擬出工作面的實時工作狀況。

2.4 采煤機地面監控系統

地面監控是整個智能系統的終端部分，它集合了數據存儲以及命令控制和狀態檢測三個方面的終端功能。順槽監控內的訊息利用專門的以太網傳送給地面監控，地面監控中心有一臺專門的服務器和四臺工控機來負責處理各項數據。其中四臺工控機分別作為MESH管理系統和三個監控系統的主機，服務器主要負責對智能控制系統的各項數據進行儲存。下圖3即為地面監控系統開機運行時顯示的實時界面。

圖3 采煤機地面監控系統的運行界面

3 分級數字化監控方案的現場驗證

本次試驗選擇晉煤集團旗下的古書院礦作為試驗對象，試驗目的為深入驗證智能控制系統運行過程中，各個模塊的整體穩定性和相互之間的協調性。具體試驗位置為編號153302綜采工作面第25刀處。此處煤層波動起伏表現明顯，尤其是頂板部分，經測量發現煤層厚度最大處約2.2m，最大傾角17°，選擇此處進行試驗可以實時監測設備自動截割的效果。如下圖4所示，為獲得更精確的試驗參數，本次試驗不僅安裝了課題組開發的本安式無線交換機，同時還更換了控制系統，增添了高頻電流、位置、傾角等多個傳感器。

自動截割過程簡述如下：機載PLC首先接收到本次動作的目標路徑，然后采煤設備根據路徑訊息開始截割動作。相關參數如圖5（a）所示，滾筒自動運行過程中，高度由初始值3.22m上升達到3.54m，該過程截割電機的電流值始終保持穩定并且不超過45A，狀態閡值表現穩定且不超過2，此時設備屬于正常狀態。設備行進到46.11m至47.12m部分時，右搖臂滾筒出現大幅度振動，電流值瞬時增高，人工檢查發現該區域煤層內混有矸石，因為與目標路徑參數存在差異所以導致設備運行狀態出現變化，此區域截割完成后煤層恢復正常，采煤設備繼續按照目標路徑運行，此時電流值降低，恢復到45A左右，設備運行狀態恢復正常。該過程滾筒高度變化曲線可參考圖5(a)，運行狀態曲線可參考圖5(b)。根據傳感器獲取的各參數進行計算比較發現，設備運行中兩滾筒的運行路徑同目標路徑相比絕對誤差始終處于0.05m以內，因此可以確定該截割過程完全符合工程要求。

圖4 采煤設備增添的部分傳感器

圖5 采煤機自動截割曲線變化

4 結束語

本文對采煤機運行機理和主要結構進行了研究分析，確立了一種智能化的控制系統，同時給出了系統的控制方案和基本工作流程，對該智能系統的幾項核心技術進行了簡單介紹，主要分為跟蹤截割路徑、評測運行狀態和智能協調控制三個方面。按照分布結構上的差異，本文將系統劃分了三個不同層次，它們分別是地面、順槽與機載三個監控系統。實際工作時這三個系統并不是孤立運行，它們相互之間利用工業以太網和無線網絡進行聯系。