采煤機記憶截割自動化控制工作原理

朱良嘉，王文平

(陜西雙龍煤業開發有限責任公司，陜西 延安 727306)

0 引言

隨著煤炭行業的快速發展，綠色礦山、智慧礦山成為我國煤炭發展的主要方向[1-3]。為了減少工作面人員數量，降低職工工作強度，堅持“少人則安，無人則安”的安全理念，智能化綜采技術近幾年被廣泛應用。智能化綜采技術主要包括采煤機自動化、液壓支架跟機自動化、視頻跟機自動化、三機、膠帶機、集成供液系統“一鍵”啟停、遠程干預和集中監測等功能[4-6]。以采煤機記憶截割為主，液壓支架與刮板運輸機配合，視頻系統實時監控，采煤機司機遠程修正，實現智能化開采。由此可見采煤機記憶截割自動化控制技術是智能化綜采技術實現的關鍵之一，因此對記憶截割自動化控制技術進行探索研究，有助于實現真正意義上的無人化開采。

1 采煤機記憶截割自動化控制應用現狀

目前，智能化綜采技術在國內屬于探索使用階段，部分礦井已經取得一定成果。其中最具有代表的綜采智能化項目為黃陵礦業一號煤礦，其采煤技術已經實現記憶截割和遠程控制、液壓支架跟機自動化、故障診斷等一系列功能。采煤機記憶截割控制技術，主要是通過記錄存儲采煤機在工作面行走過程中采高、臥底和煤機位置，并通過修正形成的一套程序，在下一個循環刀過程中實現自動截割[7-9]。雖然煤巖識別技術可以從根本改變智能化綜采技術運行模式，但目前還處于理論探索階段。記憶截割技術應用相對廣泛，可以節省部分人力成本，改善員工工作環境，提高安全系數。對于工作面賦存厚度低，起伏變化小，夾矸量小的煤層條件，記憶截割技術可以發揮其自身的優點。但煤層傾角大，地質條件復雜的工作面，記憶割煤技術尚有不足。另外，工作面煤塵、瞬間起伏、支架刮板運輸機聯動等一系列因素，都會對記憶割煤技術產生影響[10-12]。

2 采煤機記憶截割工作原理

采煤機記憶截割，主要是采集采高、臥底、位置3個數據。采高和臥底通過在搖臂上安裝位移傳感器采集，位置數據通過編碼器采集。原理是采煤機司機操作采煤機進行一個循環刀的截割學習，在行走過程中采煤機PLC控制器記錄采煤機采高、臥底和位置數據，再對存儲數據進行處理，依據人工免疫法篩選合適的數據，剔除錯誤的參數，經過修復后形成示范刀指導采煤機下一個循環刀。為此，以MG-500/1140-WD型采煤機為例，介紹采煤機記憶割煤控制系統工作原理。

2.1 采煤機記憶截割工藝

所舉的案例中，綜采工作面為右工作面，采煤機前滾筒割頂煤，后滾筒割底煤，行走方向為從左端頭至右端頭。當采煤機從左端頭進刀，直到工作面割通，然后退回到設定位置，進行清浮煤，采煤機再次退回到另一個設定位置，觸發支架動作推動刮板運輸機形成蛇形段，采煤機再次進刀并割通，整體完成采煤機中部割煤技術和三角煤工藝。下一刀按照同樣原理完成形成示范刀。整個過程采煤機設定分為22象限，通過對象限設定和參數的修改，并與液壓支架控制系統程序配合，完成采煤機記憶割煤。

2.2 采煤機記憶截割數據采集

采煤機位置數據：采煤機記憶截割數據采集包含存儲量、存儲方式及數據處理。為清楚分析，以二維標準坐標為數學模型，X坐標為采煤機位置信息，Y坐標記錄采高和臥底數據。采煤機自動化截割實現，煤機位置監測裝置是關鍵之一，影響記憶截割的準確性。采煤機通過編碼器記錄采煤機準確位置。當采煤機行走過程中，以左端頭為0點，右端頭235.5 m為終點(工作面切眼長度235.5 m)，記錄采煤機的行走過程中每一個位置。

自動調高技術：采煤機滾筒自動調高技術是實現自動化的另一項關鍵技術。通過一系列實踐，在采煤機搖臂上安裝帶有位移傳感器的油缸是最為可靠有效的方法，解決了采煤機震動環境因素影響而造成的數據誤差。位移傳感器工作原理是磁環與導管產生一個縱向磁場，當電流脈沖信號由傳感器電子端送出后，并通過導管時，第2個磁場便由導管的徑向方向產生。2個磁場相交瞬間，會產生相應的脈沖信號，然后從產生點返回傳感器電子端并被檢測出來，通過信號往返可快速、精確的計算出磁環的準確位置。傳感器實際測量范圍為0～900 mm，輸出信號為4～20 mA，對應的模擬量與數字量轉換，計算出油缸實際伸縮量，并通過搖臂抬高角度進而確定出采高和臥底。

2.3 標準坐標系建立

采煤機離散點坐標：采煤機以工作面左端頭為X坐標，0為參考點，右端頭為終點，采煤機前后滾筒截割高度為Y軸，形成3個數據的坐標曲線點參數：前滾筒采高H1、后滾筒采高H2、位置坐標L1，采煤機從右向左截割，以前滾筒剛進煤壁時煤機機身中點為0點，一刀煤割通后為終點。當采煤機在工作面行走時，可以繪制2條曲線，一條為采高曲線，另一條為臥底曲線。采高曲線數據始終由前滾筒所得，臥底曲線數據由后滾筒提供。假如將采煤機看為一個點，X軸上坐標分別為0～235.5 m，Y軸上采高點H1和臥底點H2,并依次可得到采煤機離散點坐標，如圖1所示。

圖1 采煤機離散點坐標

建立數據框架：進行來回刀的數據采集，得到采高數據、臥底數據和采煤機位置，如何將這些信息存儲以及建立數據框架，是實現控制器運行自動截割程序的關鍵。該采煤機使用歐姆龍PLC控制器，存儲空間為D1000-D20000，存儲前滾筒采高數據、后滾筒臥底數據及煤機位置，共2刀數據。因此采高數據分配3 000個，臥底3 000個，位置3 000個。X軸采樣點間距為8 cm，所以得到Y軸采高離散點坐標為

Y軸臥底離散點坐標為

X軸位置離散點為

3 基于人工免疫法的采高記憶策略

采煤機記憶截割技術的實現，主要依據采高與臥底數據，在繪制的曲線中，受煤機震動、電磁干擾以及其他因素影響，采高與臥底數據突然增大或減小，影響了采樣點數據的準確性，關系到記憶割煤的整體實現。如何篩選出準確有效的采樣點，選擇一個合適的樣點填充，需要人工免疫理論進行選擇。

3.1 人工免疫法理論

人工免疫法作為人工智能領域的重要分支，是目前智能信息處理的重要手段，它通過類似于生物免疫系統的機能，構造具有動態性和自適應性的信息防御體系，以此來抵制外部無用、有害信息的侵入，從而保證接受信息的有效性與無害性[13-14]。人工免疫法根據自然免疫系統分為以下4個方面。

免疫識別：核心功能是區分本體和非本體，根據對系統對象的識別進行編碼儲存，定義一個集合的范圍，生產一個檢測器。

免疫記憶：當免疫系統遇見新抗原時，淋巴細胞為了更準確的識別抗原，需要一定時間進行調整，在識別后以最優的抗體形式保留對抗原的記憶信息，當免疫系統再次遇見相同或相近抗原時，在聯想記憶的作用下，可迅速反應。

親和力計算：親和力計算主要是計算抗體和抗原支架的親和力，是免疫算法中最復雜的一種計算，同時也是一項重要的判斷標準。由于產生的抗體與克隆類型的抗體分子獨特性是相同的，抗體與抗原的親和力是抗體與抗原親和力的測量。

免疫克隆：當淋巴細胞實現對抗原的識別后，B細胞被激活并增值復制產生克隆B細胞，隨后經編譯產生對抗原具有特異性的抗體。

3.2 基于人工免疫采樣點的數據修正

人工免疫理論與自動記憶截割系統的對照：人工免疫法具有適應學習、記憶獲取、多樣性生成和分布式監測的能力。根據人工免疫法理論，采煤機PLC采集的樣點，其中有少數樣點是不可參考的，即對應抗原，可以剔除記憶割煤中的嚴重偏離的采樣點，填充合適的樣點，完善記憶割煤的示范刀參數采集。其功能名稱對照見表1。

表1 功能名稱對照

當前后兩值進行比較時，如果數值超過閾值，則證明此值為非正常采高點，具體情況中閾值多少合適，可在采煤程序中設置“調高最大誤差”，得到一個相應的采高集結點的親和集。當連續2個數值出現較大偏差，則判斷為非正常采樣點。

如果出現多個點誤差，本次示范刀采集數據無效，需重新學習并采集數據。

4 結語

自動記憶截割系統是以采煤機位移傳感器、編碼器、PLC控制器等精確測量在行走過程中的數據為根基，建立坐標系。利用人工免疫法篩選剔除偏離數據，存儲可靠、有效的示范刀數據庫，提高采煤機記憶割煤的可行率；在工作面煤層變化情況下，可以通過監控中心遠程干預調整，能夠為智能化礦井建設提供可靠保證。