采煤機智能協調控制策略及試驗研究

王紹巖

（河曲縣泰陽煤業有限公司，山西 忻州 034000）

引言

實現煤礦綜采工作面的自動化生產是當前煤礦企業的發展方向，而且在未來煤礦生產中逐漸實現“少人化”甚至“無人化”。在此背景下，保證綜采工作面大型機電設備的自動化、高可靠性的運行尤為重要。采煤機作為綜采工作面的主要生產設備，實現對采煤機的智能化控制對于降低作業人員勞動強度，提高生產效率，延長設備使用壽命，降低設備維修費用具有重要意義[1]。本文將重點在采煤機智能控制系統的基礎上實現其智能協調控制，為實現采煤機的自動化生產和自動化工作面的建設奠定基礎。

1 采煤機智能控制系統的總體設計

根據層次結構的不同，采煤機智能控制功能的實現需要機載監控系統、順槽監控系統以及地面監控系統的智能控制作支撐。在實際生產過程中，采煤機的關鍵動作包括截割部的升降和牽引部的調速控制兩部分。其中，截割部升降通過調高油缸的伸縮實現；牽引部的調速控制通過調整牽引電機轉速實現。也就說，實現采煤機智能控制的關鍵在于根據煤層或巖層的特點對調高油缸的伸縮量和牽引電機轉速進行智能化實時控制，保證采煤機截齒能夠與煤層或巖層更好地匹配[2]。為實現采煤機的智能控制，其對應的智能控制流程如圖1所示。

如圖1所示，采煤機智能控制功能實現的基礎為對煤層或巖層的自適應截割，對采煤機截割部截齒應力、牽引電機電流值以及調高油缸的伸縮量進行實時監測，并基于相應的智能控制策略對調高油缸伸縮量和牽引電機轉速的控制。

圖1 采煤機智能控制流程圖

采煤機機載監控系統的主要功能是對采煤機現場工作時機身、截割電機、牽引電機、截割部溫度等參數的采集；然后通過其中的機載控制器結合所采集的參數實現對采煤機左右搖臂電磁閥、制動電磁閥以及牽引電機的智能控制[3]。

采煤機順槽監控系統主要包括采煤機3DVR數字監控平臺、工作面視頻監視平臺以及無線MESH網絡平臺等。其與機載監控系統通過無線以太網實現數據傳輸，與地面監控系統通過有線以太網實現數據傳輸。

采煤機地面監控系統主要提供地面監控平臺，方便對采煤機運行狀態的掌握。

2 采煤機智能協調控制策略研究

考慮到在實際生產中，采煤機需與刮板輸送機、液壓支架進行配套。因此，實現采煤機智能控制需保證其不會對液壓支架及刮板輸送機與其的協同控制造成影響，從而提出采煤機智能協調控制的理念。

實現采煤機的智能控制可首先通過對牽引速度的智能控制避免其在異常狀態下運行。其次，對調高油缸的伸縮量進行智能控制保證與牽引速度相協調[4]。因此，本方案基于T-S云推理網絡根據采煤機牽引電機的實時電流值、截割電機的實時電流值、刮板輸送機機頭和機尾電流值以及其實時運行工況對牽引速度進行控制。本節重點在上述基礎上實現對采煤機的智能協調控制，并建立如圖2所示的協調控制結構體系圖。

圖2 采煤機智能鞋套控制結構體系圖

如圖2所示，當采煤機在截割過程中發現實際煤層或巖層的特征與其所預測的煤層或巖層的特征存在較大的差異時，基于RS理論和BP神經網絡對采煤機的運行是否處于異常狀態進行判斷。若采煤機處于異常運行狀態，分別基于T-S云推理調速模型和煤層分布趨勢的截割路徑跟蹤理論對采煤機牽引電機轉速和調高油缸的伸縮量進行智能控制，并達到協調控制的目的。

鑒于采煤機屬于較大龐大的機電液控制系統，為保證智能協調控制系統在實際控制中的穩定性，需對采煤機待執行的命令優先等級進行劃分。采煤機智能協調控制的主要依據為左右截割電機、牽引電機的電流值以及其對應的工作狀態。電機的電流值可分為波動、異常（報警）、正常三種情況[5]。本文以其中一個案例為基礎闡述優先控制的問題。比如：當采煤機左截割電機電流值出現波動且牽引電機電流值報警時，對應的優先控制指令為保持搖臂高度不變，對牽引速度進行調整；若在10 s后采煤機仍處于異常運行狀態，對應的優先控制指令為搖臂下降。在上述原則上，為保證采煤機智能協調控制系統的穩定性，設計如圖3所示的優先控制級別。

圖3 采煤機智能協調控制系統的優先控制等級

3 采煤機智能協調控制試驗研究

為驗證基于上述智能協調控制策略下采煤機各個功能模塊的性能，項目組對采煤機智能協調控制系統進行實驗室試驗和工業性試驗。

3.1 采煤機智能協調控制系統的實驗室試驗

實驗室所搭建的平臺由采煤機模型、操作臺、PLC控制箱、上位機監控平臺和液壓泵站組成。采煤機智能協調控制系統的主要功能是當采煤機處于異常工作狀態時能夠及時基于智能協調控制策略保證設備截割路徑的精確性和穩定性。鑒于實驗室條件的限制因素，采煤機智能協調控制系統的控制依據為采煤機的實時位置、牽引速度以及搖臂的傾角等。本方案基于智能協調控制策略下截割路徑跟蹤效果如圖4所示。

圖4 采煤機智能協調控制系統下截割路徑的實驗跟蹤效果

如圖4所示，采煤機智能協調控制策略下截割路徑的最大跟蹤誤差很小，說明這種調控方案具有較好的截割路徑跟蹤效果。

3.2 采煤機智能協調控制系統的工業性試驗

為進一步驗證智能協調控制策略對采煤機控制的穩定性和相互協調性，在原采煤機控制系統的基礎上，為其配置了采煤機位置傳感器、搖臂傾角傳感器、機身傾角傳感器以及電流傳感器等現場數據采集設備，并為其配置了本安型無線交換機實現機載監控系統與順槽監控系統之間數據的傳輸。在實際生產中，對工作面100~110 m之間的截割路徑的跟蹤效果進行監測：當采煤機運行至102 m時右滾筒存在較大的波動，采煤機在繼續運行0.33 m后趨于穩定；當采煤機運行至107 m時右截割電機電流值迅速增大，對應的電機處于異常運行狀態，此時在優先控制指令的控制下將右搖臂高度下降，對應的下降量為3.8 m后采煤機處于正常運行狀態。

4 結論

基于T-S云推理調速模型和煤層分布趨勢的截割路徑跟蹤理論、控制優先等級建立了采煤機智能協調控制策略，將采煤機智能協調控制系統應用后得到如下結論：

1）采煤機智能協調控制策略下截割路徑的最大跟蹤誤差僅為0.045 m，即具有較好的截割路徑跟蹤效果。

2）采煤機在截割過程中右滾筒存在較大的波動，并在智能協調控制策略運行0.33 m趨于穩定運行狀態。