采煤機速度自動控制系統(tǒng)的研究與設計

高 博

(西山煤電集團 西曲礦，山西 古交 030200)

0 引言

傳統(tǒng)采煤機自動控制系統(tǒng)中，工作人員依靠瓦斯監(jiān)控裝置和頂板壓力檢測裝置判斷采煤機速度是否過快，若瓦斯超標、頂板壓力過大或頂板破碎則立即切斷采煤機供電，待工作面條件符合相關規(guī)定后恢復供電，采煤機繼續(xù)作業(yè)。上述采煤方式中，采煤機常出現(xiàn)不必要的停止和啟動，使得電機繞組和齒輪均受到?jīng)_擊而損壞，采煤效率也受到影響。為了兼顧安全和采煤效率，本文通過在工作面布置無線瓦斯傳感器、在液壓支架布置頂板壓力傳感器和攝像頭的方案，并采用頂板破碎程度圖像識別算法來判斷頂板破碎程度，在工作面條件達到安全臨界條件前及時調(diào)節(jié)采煤機速度，從而達到保護采煤設備、提高采煤效率的目的。

1 采煤速度邊界條件

1.1 瓦斯?jié)舛?/h3>

在煤生成的初期，植物中的纖維素和有機質(zhì)在環(huán)境作用下會分解產(chǎn)生甲烷等氣體，這些氣體蘊藏在煤層內(nèi)，稱之為瓦斯。瓦斯隨著煤層的開采被逐漸釋放，在井下積聚到一定濃度將會引起爆炸等安全事故，因此采用通風機向井內(nèi)送風，降低瓦斯?jié)舛?。采煤機推進速度與工作面瓦斯?jié)舛却嬖谡嚓P關系，截割速度越快則瓦斯?jié)舛仍礁摺＞C上所述，工作面瓦斯?jié)舛仁莿討B(tài)變化的。為了防止工作面瓦斯?jié)舛瘸蓿瑐鹘y(tǒng)的采煤作業(yè)利用人工觀測瓦斯?jié)舛?，一旦超過限值立即停止采煤作業(yè)，待通風機作業(yè)直至瓦斯?jié)舛认陆档桨踩秶鷥?nèi)時再繼續(xù)進行采煤作業(yè)，這種方式存在工作量大、采煤機的工作不連續(xù)、采煤效率低等缺點。為了保證采煤機工作的連續(xù)性，提高工作面自動化程度，可將瓦斯?jié)舛茸鳛椴擅簷C速度控制的一個參數(shù)，瓦斯?jié)舛容^低時提高采煤機速度，反之降低采煤機速度，在保證安全的同時提高生產(chǎn)效率。

1.2 頂板壓力及破碎程度

隨著采煤機作業(yè)的推進，工作面支撐壓力和煤巖體壓力不斷發(fā)生變化，采煤機頂板壓力也在不斷變化。根據(jù)實際經(jīng)驗和相關文獻可知，采煤機前進速度與頂板所受壓力存在正比例關系。采煤機速度過快可能導致頂板暴露面積大、時間長，可能引起冒頂事故。除了頂板壓力過大，采煤機速度過快還會導致頂板破碎程度加劇。研究表明，頂板破碎系數(shù)超過1.5就會顯著增加冒頂風險。傳統(tǒng)的采煤作業(yè)利用壓力傳感器采集頂板壓力數(shù)據(jù)，當壓力超過限值時停止采煤作業(yè)，并采取人工頂板支護。為了保證采煤機工作的連續(xù)性，提高工作面自動化程度，可將頂板壓力作為采煤機速度控制的一個參數(shù)，同時采用圖像識別算法對頂板破碎程度進行判斷，在頂板壓力大、頂板破碎程度輕時提高采煤速度，反之降低采煤速度，在保證安全的同時提高生產(chǎn)效率。

2 多參數(shù)融合采煤機速度控制系統(tǒng)

圖1為多參數(shù)融合采煤機速度控制系統(tǒng)框圖。如圖1所示，多參數(shù)融合采煤機速度控制系統(tǒng)由參數(shù)采集與處理部分、ARM+DSP構成的主控制器部分及速度控制模塊等構成。通過采集工作面瓦斯?jié)舛?、頂板壓力和頂板圖像，經(jīng)過處理后發(fā)送給主控制器，并結合預設的采煤機參數(shù)和采煤工藝，向速度控制模塊發(fā)出相應的速度控制指令；同時進行參數(shù)顯示和存儲，以便工作人員監(jiān)視和歷史查詢。

圖1 多參數(shù)融合采煤機速度控制系統(tǒng)框圖

2.1 ARDSP雙核主控制器

本文采用Hi3510雙核處理器，這是一款集ARM和DSP為一體的高集成、可編程處理器，支持視頻處理，在視頻傳輸和監(jiān)控領域具有顯著優(yōu)勢，其內(nèi)部的圖像處理模塊具有除噪增強功能。井下開采設備的重要信息涉及到煤礦安全，因此必須對存儲的數(shù)據(jù)加密，防止篡改和拷貝，Hi3510控制器搭載的AT88SC0101C安全芯片提供了豐富的安全特性，可為圖像進行硬件加密和添加水印。

2.2 無線瓦斯?jié)舛葯z測電路

由于工作面瓦斯?jié)舛炔⒉痪鶆颍杉滁c瓦斯?jié)舛炔⒉荒艽碚麄€工作面的情況，另一方面考慮到井下環(huán)境不適合大量布線，因此瓦斯?jié)舛葯z測模塊設計為基于無線收發(fā)模塊的分布式系統(tǒng)，方便采集工作面上多點瓦斯?jié)舛?，該模塊可以隨工作面的推進而移動，省去布線工作。無線瓦斯檢測電路的原理為：瓦斯傳感器將反映被測點瓦斯?jié)舛鹊哪M信號發(fā)送給單片機，經(jīng)片內(nèi)集成的A/D轉換模塊轉換為數(shù)字信號，單片機通過無線收發(fā)模塊將此數(shù)字信號發(fā)送給主控制器，并將該被測點瓦斯?jié)舛蕊@示在液晶屏上，若瓦斯?jié)舛瘸^1%則發(fā)出報警信號。

2.3 頂板壓力檢測電路

采用專用礦用頂板壓力傳感器采集頂板壓力，一般測量范圍為0～60 MPa，輸出信號范圍為1 mA～5 mA。頂板壓力檢測電路將傳感器輸出電流經(jīng)過一個電阻接地，將電流信號轉換為電壓信號，然后經(jīng)過運算放大電路進行放大處理，使其滿足主控制器3.3 V的電壓輸入范圍要求，然后再發(fā)送給主控制器。

2.4 頂板破碎程度識別算法

隨著硬件技術和智能算法的快速發(fā)展，越來越多的視頻技術被應用在采煤作業(yè)中，發(fā)展趨勢趨向于低功耗、智能化。本文采用的方案是在液壓支架上方安裝CCD攝像頭對頂板裂縫進行圖像捕獲，并采用低功耗、高性能視頻解碼芯片進行解碼。對頂板圖像進行處理是正確判斷其破碎程度的前提，如圖2所示，頂板破碎程度圖像識別流程共有5個步驟：①數(shù)字化，攝像頭捕獲的模擬圖像不能被控制器識別，需對其進行數(shù)字化處理，將圖像所有像素的灰度值按照矩陣或向量形式表示；②邊緣檢測，其目的是區(qū)分巖層和頂板破碎邊緣；③中值濾波，井下照明條件差，空氣中常有浮塵等干擾，因此頂板圖像攜帶大量噪聲，中值濾波用某長度窗口內(nèi)灰度均值代替噪聲點灰度值，起到增強低頻分量、抑制高頻分量的作用；④圖像分割，頂板裂縫的圖像比完整巖層顏色深，采用迭代最佳域值法將頂板裂縫單獨提取出來，首先利用估計的近似閾值對圖像進行分割，選取新的閾值對分割后的圖像進行分割，迭代數(shù)次后不符合提取條件的像素點越來越少，從而將頂板裂縫的背景提取出來；⑤特征提取，通過特征提取得到衡量頂板破碎程度的量化系數(shù)。

圖2 頂板破碎程度圖像識別流程

3 軟件設計

主控制器內(nèi)搭載的采煤機速度控制軟件主程序流程如圖3所示，程序開始后執(zhí)行初始化，對時鐘模塊、加密模塊、無線收發(fā)模塊和數(shù)據(jù)通信模塊等進行參數(shù)初始化，然后分別采集瓦斯?jié)舛取㈨敯鍓毫晚敯鍒D像，并對其進行判斷，若參數(shù)在安全范圍內(nèi)，則返回循環(huán)繼續(xù)采集參數(shù)，若參數(shù)超限則發(fā)出采煤機調(diào)速信號，采煤機接收此信號后采取相應的減速措施，以保障采煤工作面安全。除了主程序，還有無線收發(fā)程序、頂板壓力超限報警程序、瓦斯?jié)舛瘸迗缶绦?、頂板破碎程度超限報警程序等?/p>

圖3 多參數(shù)融合采煤機速度控制軟件主程序流程

4 結束語

瓦斯?jié)舛?、頂板壓力和頂板破碎程度是制約采煤機推進速度的關鍵因素。多參數(shù)融合采煤機速度控制系統(tǒng)采集瓦斯?jié)舛?、頂板壓力和頂板破碎圖像，經(jīng)過ARM+DSP雙核控制器的數(shù)據(jù)處理，對采煤機速度控制模塊發(fā)出控制指令。利用多參數(shù)融合采煤機速度控制系統(tǒng)，在保證安全的前提下提高了采煤機作業(yè)效率和煤炭產(chǎn)量。