采煤機一體化控制技術(shù)及應(yīng)用

孟少華

（大同煤礦集團挖金灣虎龍溝煤業(yè)有限公司，山西 大同 037001）

引言

采煤機為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，與刮板輸送機、液壓支架統(tǒng)稱為工作面“三機”。目前，應(yīng)用于綜采工作面的采煤機是電氣、機械以及液壓的集合，在一定程度上采煤機的采煤效率及截割可靠性取決于采煤機機電液一體化控制技術(shù)的成熟程度[1]。本文著重對采煤機機電液一體化控制技術(shù)進行研究，并對應(yīng)用效果進行驗證。

1 工程概況

該煤礦81505 工作面呈現(xiàn)南北走向的布置方向，該工作面煤層的埋藏深度處于地下70～120 m。受周圍地質(zhì)環(huán)境的影響，81505 工作面可供開采煤層的面積約為130 km2；煤層的平均厚度為3.12 m；81505 工作面的頂?shù)装迩闆r如表1 所示。

表1 81505 工作面頂?shù)装迩闆r分析

81505 工作面的走向長度為5 252 m，目前工作面已經(jīng)推進了2 019 m，傾斜工作面的長度共有200 mm，傾斜角度為1°。經(jīng)現(xiàn)場勘測可得：工作面可供開采煤層儲量共有432 萬t；工作面最大涌水量可達859 m3/h，正常涌水量為520 m3/h；工作面所采用的開采方式為走向長壁后退式采煤，頂板管理方法為全部垮落法。

2 采煤機的一體化控制技術(shù)

本文以7LS-LWS638 型采煤機為研究對象，其對應(yīng)的截割高度可達4 500 mm，生產(chǎn)能力可達4 000 t/h，牽引功率為110 kW，滾筒直徑為2 200 mm。采煤機共由9 部分組成，分別為電控箱、截割電機、泵電機、牽引電機、牽引齒輪箱、截割滾筒、牽引驅(qū)動塊、搖臂以及破碎機。所謂采煤機一體化控制指的是根據(jù)采煤機電氣控制系統(tǒng)得出相應(yīng)的控制指令，通過對采煤機液壓系統(tǒng)的控制，從而實現(xiàn)對采煤機機械部件的控制[2]。

其中，采煤機截割電機主要是對滾筒截割深度和速度的控制，泵電機通過對液壓閥的控制實現(xiàn)對調(diào)高油缸伸縮量的控制，進而對滾筒截割高度進行控制；牽引電機主要對采煤機的行走方向和行走速度進行控制。采煤機一體化控制功能實現(xiàn)的主要目的是實現(xiàn)采煤機滾筒的智能化控制，從而實現(xiàn)采煤機的自動截割[3]。

2.1 采煤機滾筒智能調(diào)高控制技術(shù)

采煤機滾筒智能調(diào)高控制的實現(xiàn)是根據(jù)對采煤機實時工況及工作面情況對其滾筒高度進行實時自適應(yīng)控制。其主要控制路徑為通過調(diào)高油缸的伸縮量控制搖臂的擺動，從而實現(xiàn)對滾筒高度的控制。

采煤機調(diào)高系統(tǒng)中調(diào)高油缸活塞桿的行程和速度主要通過控制電磁閥的開口大小和流量實現(xiàn)。傳統(tǒng)滾筒調(diào)高系統(tǒng)以電磁閥為核心，為提升滾筒提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，本文以電液比例閥為關(guān)鍵部件設(shè)計[3]。基于電液比例閥的滾筒調(diào)高液壓系統(tǒng)原理框圖如下頁圖1 所示。

為提升滾筒調(diào)高系統(tǒng)對采煤機滾筒控制效率的穩(wěn)定性，提升控制系統(tǒng)的控制精度和抗干擾能力。本文基于遺傳算法與PID 控制器相結(jié)合的方式實現(xiàn)對采煤機滾筒的智能化控制。

基于遺傳算法與PID 相結(jié)合的滾筒調(diào)高控制系統(tǒng)的核心為基于遺傳算法對PID 控制器中比例、微分以及積分三個環(huán)節(jié)的參數(shù)進行整定，從而實現(xiàn)對調(diào)高油缸活塞桿的移動方向、行程以及移動速度的精確性控制[4]。

圖1 采煤機調(diào)高液壓系統(tǒng)原理框圖

為避免比例、積分以及微分三個系數(shù)整定過程中的計算量過大，對上述三個系數(shù)的取值范圍確定如下：比例環(huán)節(jié)系數(shù)取值范圍為0.2～0.5；積分環(huán)節(jié)系數(shù)取值范圍為0～0.1；微分環(huán)節(jié)系數(shù)取值范圍為0～0.3。基于遺傳算法最終對上述三個系數(shù)整定結(jié)果如下：比例環(huán)節(jié)系數(shù)Kp=0.308；積分環(huán)節(jié)系數(shù)Ki=0.057；微分環(huán)節(jié)系數(shù)Kd=0.210。

2.2 采煤機記憶截割功能的實現(xiàn)

在采煤機實現(xiàn)截割滾筒智能調(diào)高控制系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，還需對采煤機截割深度進行自適應(yīng)控制，進而實現(xiàn)采煤機的記憶截割功能。采煤機自動截割工作過程如圖2 所示。

圖2 采煤機自動截割過程

如圖2 所示，采煤機中央控制器通過對采煤機截割電機、變頻器、破碎機電機以及相關(guān)變壓器等運行參數(shù)采集，以及角度傳感器、齒輪傳感器等獲取采煤機運動狀態(tài)參數(shù)的基礎(chǔ)上得出對采煤機牽引電機、變頻器以及截割深度等參數(shù)的控制，實現(xiàn)采煤機的自動化生產(chǎn)。

3 采煤機一體化控制技術(shù)的應(yīng)用

為驗證采煤機一體化控制技術(shù)的應(yīng)用效果，本文基于AMESim 仿真軟件建立采煤機滾筒調(diào)高液壓控制系統(tǒng)的模型，并設(shè)定仿真時長為5 s，仿真步長為0.01 s，對一體化控制技術(shù)下采煤機調(diào)高油缸活塞桿的運動特性與傳統(tǒng)控制技術(shù)下調(diào)高油缸活塞桿的運行特性進行對比，對比結(jié)果如圖3 所示：

圖3 采煤機一體化控制技術(shù)和傳統(tǒng)控制技術(shù)的效果對比

如圖3 所示，將傳統(tǒng)采煤機控制技術(shù)進行一體化優(yōu)化后，活塞桿的速度無明顯的紊亂現(xiàn)象，且活塞桿速度的穩(wěn)定性明顯增加，提高了滾筒調(diào)高系統(tǒng)的抗干擾能力，減小了調(diào)高系統(tǒng)在控制過程對系統(tǒng)所造成的沖擊性[5]。

基于采煤機一體控制技術(shù)所實現(xiàn)的采煤機自動截割技術(shù)保證采煤機在完成兩個循環(huán)的手動截割操作后，根據(jù)兩個循環(huán)的學(xué)習(xí)記錄實現(xiàn)工作面的自動截割。此外，采煤機一體化控制功能的實現(xiàn)是實現(xiàn)與綜采工作面刮板輸送機、液壓支架一體化控制的基礎(chǔ)，為提升綜采工作面的采煤效率奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

以某煤礦當(dāng)前所采用的7LS-LWS638 型采煤機為例，以實現(xiàn)采煤機滾筒的智能調(diào)高和采煤機的記憶截割為基礎(chǔ)實現(xiàn)對采煤機的一體化控制，具體總結(jié)如下：

1）以遺傳算法和PID 控制器為核心，建立采煤機滾筒的智能化控制系統(tǒng)，通過對調(diào)高滾筒電機的液壓換向閥、液壓泵等液壓元器件的控制，從而對滾筒的調(diào)高進行控制，實現(xiàn)采煤機的一體化控制，且在一體化控制技術(shù)使得采煤機滾筒調(diào)高更加平滑、穩(wěn)定。

2）基于采煤機一體化控制技術(shù)采煤機可根據(jù)工作面煤層特征在完成兩個循環(huán)的手動截割任務(wù)后，實現(xiàn)采煤機的自動截割功能。