基于AI 技術的采煤機運輸機雙閉環調速應用

（神東煤炭集團錦界煤礦，陜西 神木 719300）

煤礦是耗能大戶，能源消耗在煤礦建設、生產過程中占有相當重要的位置，而我國人口眾多，能源和其它自然資源相對嚴重短缺，能源的合理節約使用不僅是一個經濟問題，而且已成為重要的戰略問題，因此在煤礦建設、生產過程中節約能源消耗，有效地利用能源，不僅是解決短期能源供應短缺的必要選擇，更是為我國建設全面小康社會，進而實現現代化提供能源保障的長期戰略選擇。

目前國際上還不具有成熟的綜采工作面集控系統各子系統之間信息交互融合，互聯互通的成功使用案例，煤礦節能降耗就是在煤礦建設和生產過程中，依靠科技進步，根據具體的地質、采礦條件，從企業的實際情況、自身效益和環境效益的長遠潛力出發，利用人工智能技術、新工藝、新裝備，挖掘潛能、規范管理等方式，達到較為顯著的節能效果。目前井下在用工作面運輸機、轉載機都采用變頻器驅動，從變頻器具有變頻器具有啟動轉矩大、調速范圍寬、調速靈活的優點，但目前在使用時，三機的轉速都設置為定值，變頻器僅僅起到軟啟動器的作用，變頻器主要的調速、節能降耗的優點沒有充分利用。采煤機雖采用變頻驅動，但都是根據煤機司機經驗操作，工作面集控各子系統之間缺少互相滲透交融，互聯互通，整體效率有待進一步提升，在此內外環境下，本文介紹一種基于AI 技術的采煤機和運輸三機之間的雙閉環調速設計使用案例，在神東錦界煤礦已得到使用驗證。

一、雙閉環調速設計介紹

（一）原理說明

實現三機自動調速需要采集運輸機轉載機負荷量及相互之間運行工藝，直接的方法是安裝煤流量傳感器，根據煤流量的大小調節運輸機轉載機運行速度。目前煤流量傳感器的種類很多，常用的是連續稱重式、視頻識別、激光斷面掃描等，但都存在故障率較高、價格昂貴等缺點，許多單位經過多年探索實踐，仍然無法克服其缺點，因此煤流量傳感器沒有得到推廣應用。采煤機電牽引主要依據算法實現截割牽引負反饋控制，和運輸機無相互制約，受人工控制。根據我礦多年合作積累的自動化割煤技術、綜采工作面集控技術，探索了根據采煤機狀態、利用人工智能算法來實現采煤機運輸三機自動調速控制。該方法不需要使用煤流量傳感器，不僅完全克服了煤流量傳感器故障率高的缺點，還大大簡化了系統，降低成本，提高了系統可靠性。

通常情況下，采煤機距離機頭越遠、采煤機截割電流越大、牽引速度越快，刮板機上的煤越多，反之煤少。根據這個原理，刮板機速度為采煤機位置、截割電流、牽引速度的函數，建立該函數，可以推算出煤流量。因此，三機速度為：

其中，函數f為基于人工智能、自學習算法的煤流量估算算法。

算出三機的速度給定值后，將該數值發給變頻器，由變頻器控制電機實現三機調速。集控系統獲得三機的速度、電流值后，可以根據三機的負載情況再控制采煤機的牽引速度，形成閉環，防止三機過載、防壓死。工作面集控系統實現了采掘、運輸一體化控制，提高了自動化水平，降低了能耗。

（二）功能介紹

本文敘述的基于人工智能采煤機、運輸機的雙閉環調速設計主要目的是改善現有設備控制方式，在機械設備性能指標范圍內充分挖掘設備潛能、減少無功功耗、根據負載需求動態調節輸出，有效提高設備利用率、降低設備機械損耗，減少水資源浪費，節約電能，達到節能減排增效目的。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

1.運輸機速度雙閉環控制：

（1）當采煤機在工作面生產割煤時如果停止牽引，則運輸機將刮板上煤塊拉空后控制運輸機減速，以最低能耗運行，當煤機再次割煤時運輸機立即加速，以適應正常采煤需求。

（2）運輸機根據變頻三機的轉矩電流、采煤機的牽引速度、牽引電流、截割電流、采煤機的位置，計算出運輸機的負荷率，在運輸機性能滿足條件下跟隨采煤機速度動態調節，以適應采煤機速度。

（3）根據采煤機自動化割煤工藝過程進行運輸機速度動態調節，兩側三角區域降低運輸機速度，確保合理的速度區間滿足運輸要求。

2.采煤機牽引速度雙閉環控制：

（1）采煤機根據左右截割和牽引電流進行閉環調速控制，當采煤機截割電流過大，反饋控制系統觸發牽引減速，實現采煤機牽引速度閉環調節。

（2）當運輸機或轉載機達到性能上限（過載）時，集中控制系統實時采集采煤機速度，當煤機牽引速度較快，則控制采煤機立即減速，以適應運輸機運載能力。

（3）采煤機根據自動化割煤工藝，在不同工步、不同位置下動態調節牽引速度，兩側三角煤區域提高牽引速度，充分挖掘設備利用率。

系統優點在于：

1.子系統互相之間信息共享融合，互聯互通，一體化控制。

2.機電設備管理規范，設備潛能充分挖掘，避免資源浪費，節約能耗，改善煤質。

3.參數設定好之后各子系統自動控制，不受外部因素限制。

4.改善井下工人勞動強度，改善作業環境。

二、現場驗證

（一）煤用電量對比

國家能源集團神東煤炭集團錦界煤礦綜采三隊31213 工作面自2019 年5月18 日投入使用該套設備，此調速功能至8 月18 日開始使用，以5、6、7月與9、10、11 月對比得出噸煤節約 0.47 度，節約電費0.26 元。其中8 月份環比下降2.6 %。為實現錦界煤礦數字化礦山完善和響應國家能源集團提出的節能降資號召做出一定貢獻。（表1 數據來源于錦界煤礦機電科數據統計）

表1 錦界煤礦31213 綜采工作面5-11 月用電情況統計表

（二）設備磨損情況改善

自該調速功能投入使用后，基于自動控制設備無功運轉情況減少，有效的保護了設備的使用壽命，同時該系統有效的避免了人為誤開忘停刮板運輸機和裝載機的情況，9、10、11 月與5、6、7 月相比，錦界煤礦31213 綜采工作面故障影響次數下降4 次，故障率下降4.62%。對31213 工作面設備起到了良好的保護作用。（表2 數據源于錦界煤礦機電科故障統計數據）

表2 錦界煤礦31213 綜采工作面5-11 月故障統計表

三、結論

1.基于人工智能技術實現的采煤機運輸三機雙閉環調速功能的應用在節能降耗方面應用表現顯著。

2.通過此套系統的應用對機電設備的使用管理更加規范，減少設備無用磨損，提高機電設備穩定性，提高整個采掘系統平均無故障時間。

3.系統功能及穩定性驗證，證實工作面集控系統各子系統之間的信息交互融合，互聯互通。

4.通過應用展示了系統對人工要求的降低，改善工人勞動環境，減少勞動強度。

5.通過錦界31213 工作面使用，驗證此功能技術的拓展性，具備延伸到皮帶控制的技術條件，實現整個煤流的智能控制，助力智慧礦山邁進。