煤礦采煤機(jī)自動化與智能化技術(shù)研究

劉燕強

(山西焦煤集團(tuán) 西山煤電股份有限公司 西曲礦 綜采準(zhǔn)備隊，山西 古交 030200)

0 引言

煤炭是我國國民生產(chǎn)生活的主要能源之一，實現(xiàn)安全高效的煤炭生產(chǎn)是煤炭企業(yè)和研究人員的工作重點。作為工作面最重要的設(shè)備，采煤機(jī)操作過程復(fù)雜，需要司機(jī)對煤層厚度、頂板情況、電機(jī)狀況、振動情況等進(jìn)行綜合判斷，以便合理操作采煤機(jī)進(jìn)行截割、破碎和推移等動作。隨著無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)和智能算法的發(fā)展，在采煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)測、滾筒調(diào)高、推移牽引、故障預(yù)警等方面應(yīng)用了大量自動化和智能化技術(shù)，提高了采煤機(jī)的生產(chǎn)效率和安全性，降低了采煤機(jī)司機(jī)的勞動強度。本文研究了基于無線網(wǎng)絡(luò)傳感的監(jiān)測技術(shù)、基于記憶截割的智能控制技術(shù)和基于專家系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)，這些技術(shù)的應(yīng)用可為煤礦企業(yè)進(jìn)行自動化和智能化改造，逐步實現(xiàn)無人工作面提供借鑒。

1 基于無線網(wǎng)絡(luò)傳感的監(jiān)測技術(shù)

為了實現(xiàn)采煤機(jī)狀態(tài)控制和故障診斷，首先應(yīng)獲取準(zhǔn)確的狀態(tài)信息，美國JOY公司和德國Eickhoff公司生產(chǎn)的采煤機(jī)已經(jīng)具備了完善的故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測功能，而國產(chǎn)采煤機(jī)的功能還不是很完善。JOY公司和Eickhoff公司都有其代表性的工業(yè)控制計算機(jī)系統(tǒng)，對采煤機(jī)的狀態(tài)信息進(jìn)行采集、處理和存儲，通過人機(jī)界面以豐富的形式表現(xiàn)出來，不僅有文字、表格，還能以曲線和圖形等直觀方式在順槽和地面展現(xiàn)。采煤機(jī)的狀態(tài)信息包括采煤機(jī)位置(兩種表示方法，一種是在工作面中的絕對位置，另一種是基于液壓支架編號的相對位置)、牽引方向和速度、搖臂角度、機(jī)身角度，牽引電機(jī)、截割電機(jī)、泵站電機(jī)和破碎電機(jī)的電氣參數(shù)，以及軸承和潤滑油溫度等。

通信網(wǎng)絡(luò)平臺的建設(shè)是狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的核心部分，目前大型礦井包括順槽在內(nèi)的大部分工作區(qū)域都已覆蓋了光纖通信網(wǎng)絡(luò)，因此順槽到工作面的通信是狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)平臺的主要組成部分。有線通信方式例如載波通信和工業(yè)現(xiàn)場總線是目前主要的解決方案，而無線組網(wǎng)方式具有布線簡單、不受空間限制的優(yōu)點，但是存在電磁干擾現(xiàn)象，其可靠性有待于進(jìn)一步驗證。

基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的采煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示，由機(jī)載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)和監(jiān)控中心三大部分組成。機(jī)載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由采煤機(jī)上的溫度傳感器和振動傳感器等構(gòu)成，對溫度和振動信號進(jìn)行采集和無線發(fā)送。監(jiān)控中心分析這些數(shù)據(jù)，對采煤機(jī)的健康狀態(tài)進(jìn)行評估。每個采煤機(jī)上可布置多個傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，經(jīng)過串口將匯聚節(jié)點與管理中心的計算機(jī)相連，不同的節(jié)點實現(xiàn)不同的功能，有的發(fā)送數(shù)據(jù)，有的采集數(shù)據(jù)，最終匯總到上位機(jī)上。

圖1 基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的采煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

2 基于記憶截割的智能控制技術(shù)

基于記憶截割的智能控制技術(shù)主要有狀態(tài)控制、姿態(tài)控制和牽引控制三種。

2.1 狀態(tài)控制

在采煤機(jī)作業(yè)過程中，截割部把煤塊從煤壁上切割下來，破碎部將大塊的煤破碎為小塊。要實現(xiàn)采煤機(jī)截割狀態(tài)和破碎狀態(tài)的協(xié)調(diào)控制，需要將破碎電機(jī)和截割電機(jī)的啟動信號、制動信號和保護(hù)信號等控制狀態(tài)添加到邏輯傳感器中，實現(xiàn)截割部和破碎部的聯(lián)動狀態(tài)控制。

2.2 姿態(tài)控制

采煤機(jī)的姿態(tài)控制指的是機(jī)身角度和滾筒高度控制，機(jī)身角度隨采煤機(jī)在刮板輸送機(jī)上的位置變化而變化，因此姿態(tài)控制主要指的是滾筒調(diào)高控制。滾筒自動調(diào)高建立在煤層信息的采集和判斷基礎(chǔ)上，是采煤機(jī)自動控制技術(shù)的核心。煤層信息的判斷有煤巖識別法和記憶截割法，前者通過天然γ射線直接預(yù)測煤巖界面，后者為人工輔助監(jiān)視下的間接方法。這兩種方法各有所長，直接法的理論性較強，對傳感器要求高，適用于具有明顯特征的煤層；間接法技術(shù)成熟，但僅適用于頂?shù)装遄兓幻黠@的煤層，且需要人為操作，自動化程度低。

2.3 牽引控制

采煤機(jī)牽引系統(tǒng)有三種：電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速、開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速和交流變頻系統(tǒng)調(diào)速。開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速是未來發(fā)展方向，具有調(diào)速性能好、控制電路簡單、轉(zhuǎn)矩大、啟動沖擊小的優(yōu)點，目前研究方向為降低噪聲和提高位置傳感器可靠性等。

3 基于專家系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)

采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其故障源和故障表現(xiàn)很多，常見的故障可以分為電氣故障、液壓故障和機(jī)械故障。機(jī)械故障有軸承溫度過高、截齒斷裂和鏈輪組件磨損等；電氣故障有變頻器故障、保護(hù)未啟動等；液壓故障有牽引無力、油壓過低等。采煤機(jī)故障診斷技術(shù)的發(fā)展建立在監(jiān)控通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，是采煤機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的有機(jī)組成部分。故障診斷功能不僅在于判斷采煤機(jī)是否異常和故障決定其運行狀態(tài)，降低異常或故障對采煤作業(yè)的影響，還可以給管理人員和維護(hù)人員提供決策依據(jù)，提高管理和維修工作的效率。最初采煤機(jī)故障診斷技術(shù)的發(fā)展局限于電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)，且診斷邏輯大多基于閾值判斷，例如電壓、電流、油壓等參數(shù)是否處在設(shè)定閾值，一旦某項參數(shù)超過閾值則發(fā)出報警信號。這種方法的優(yōu)點是簡單可靠，缺點是定位不夠精確，無法診斷出是由哪個機(jī)械部件引起的故障。近幾年來，故障診斷專家系統(tǒng)發(fā)展迅速，結(jié)合模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、ELM學(xué)習(xí)方法、分層索引等先進(jìn)算法，解決了專家知識領(lǐng)域局限性、系統(tǒng)冗余性和知識理解能力差等問題。采煤機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，以采煤機(jī)領(lǐng)域知識和專家經(jīng)驗為基礎(chǔ)，通過本體編輯器和規(guī)則編輯器形成故障知識和故障規(guī)則，形成由故障知識庫和故障規(guī)則庫共同組成的知識庫，系統(tǒng)通過知識庫進(jìn)行故障推理，在人機(jī)界面中發(fā)出異常和故障告警。

圖2 采煤機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

目前采煤機(jī)自動化和智能化技術(shù)有狀態(tài)監(jiān)測、姿態(tài)控制和故障診斷三個關(guān)鍵技術(shù)，基于無線網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)是姿態(tài)控制和故障診斷的基礎(chǔ)，基于記憶截割的智能控制技術(shù)是采煤機(jī)控制技術(shù)的核心，基于專家系統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)能夠提高采煤作業(yè)的安全性和可靠性。隨著自動化和智能化技術(shù)在采煤工作面的逐漸應(yīng)用，工作人員的工作環(huán)境將得到進(jìn)一步改善，工作量顯著下降，為無人開采奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。