采煤機記憶截割自動化控制工作原理

陳梁昊

（山西焦煤西山煤電西銘礦， 山西 太原 030052）

引言

目前，我國使用的采煤機很多都具有記憶截割功能，但是由于工作面地質(zhì)條件不穩(wěn)定、夾矸石量大，仍然不能完全適合實際應(yīng)用，另一方面，由于和液壓支架電壓控制系統(tǒng)和刮板輸送機聯(lián)動方面可能存在各種配合上的問題，很多煤礦的技術(shù)水平達不到記憶截割的應(yīng)用條件[1-3]。因此，對記憶截割技術(shù)的理論和實踐研究仍然具有一定的挑戰(zhàn)性。

1 “三機”配合原理

如圖1 所示為典型的綜采工作面設(shè)備布置俯視圖，主要設(shè)備為滾筒采煤機、刮板輸送機和液壓支架，圖中“A-A”截面的側(cè)視圖展示了這三種設(shè)備的空間關(guān)系。采煤機的左右行走輪騎在刮板輸送機的銷排上，處于相互嚙合狀態(tài)，液壓支架布置于采空區(qū)一側(cè)。這三種設(shè)備相互配合、協(xié)同工作，共同完成自動化采煤流程，俗稱“三機配套”。在采煤機工作過程中，包含三個方向的運動，分別是沿刮板輸送機方向往復(fù)的牽引運動、向煤壁方向的推溜運動和滾筒上下的調(diào)高運動。采煤機在刮板輸送機上行走時的同時，滾筒不斷向前切割，前后滾筒分別將頂煤和底煤從煤壁上截割下來，掉落的煤塊通過螺旋葉片輸送到刮板輸送機上，刮板輸送機再將煤塊輸送至轉(zhuǎn)載機，轉(zhuǎn)載機一般帶有破碎機，進一步將煤塊破碎后，由刮板輸送機轉(zhuǎn)運至順槽的可伸縮帶式輸送機，由此將煤塊運輸至井上。在一個截割周期內(nèi)，由于煤層的厚度是變化的，因此采煤機司機需不斷調(diào)整滾筒高度，以盡量使?jié)L筒切割邊緣貼近煤層頂部。切割完一個周期后，液壓支架將刮板輸送機推向煤壁方向，然后液壓支架跟進，完成推溜動作，準(zhǔn)備開始下一刀截割。在綜采工作面中，由于煤層厚度的變化是緩慢的，因此在每個截割周期內(nèi)，對于同樣的采煤機的位置，滾筒的適合高度總是相差不大的，因此可以通過采煤機位置、傾角等信息，確定滾筒截割下一刀的路徑。只需要經(jīng)驗豐富的采煤機司機進行一次人工示范操作，后面的操作可根據(jù)第一刀的截割路徑自動進行。

圖1 綜采工作面設(shè)備布置

2 記憶截割工作原理

在司機操作采煤機進行第一刀“示范刀”截割時，工作面的各類型傳感器實時采集采煤機位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)并將其存儲在計算機中，這些信息包括牽引方向和速度、滾筒位置、工作面長度、橫縱傾角。在自動截割模式下，計算機通過歷史數(shù)據(jù)確定下一個截割周期的滾筒高度，以此實現(xiàn)路徑記憶。以工作面方向為X軸正方向，采煤機推進方向為Y 軸正方向，滾筒向上調(diào)整方向為Z 軸正方向，建立空間直角坐標(biāo)系。在進行第一刀截割時，在X 軸上均勻設(shè)置N 個采樣點，將其對應(yīng)的采煤機位姿信息和當(dāng)時每個點的滾筒高度記錄下來作為示范截割路徑，記為{A1，A2，…，AN}，第二次截割時，可結(jié)合采煤機的實時位姿信息和前一次截割的截割路徑，重復(fù)第一次的的截割路徑{B1，B2，…，BN}，以此作為循環(huán)進行采煤作業(yè)。在循環(huán)過程中，如果采煤機司機發(fā)現(xiàn)滾筒高度調(diào)整不合適，可以手動進行調(diào)整，調(diào)整后的路徑會被作為新的截割路徑被記憶下來。需要注意的是，由于控制精度問題，記憶截割的循環(huán)次數(shù)不宜過多，一般以4～5 個循環(huán)為宜。循環(huán)結(jié)束后需要再次將采煤機設(shè)置為手動操作模式，重新進行基準(zhǔn)參數(shù)的設(shè)置，然后進行“示范刀”截割。

3 記憶截割系統(tǒng)架構(gòu)

記憶截割系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖2 所示，主要由傳感模塊、機載控制器、順槽控制器、執(zhí)行機構(gòu)以及他們之間的拘束傳輸網(wǎng)絡(luò)組成。機載傳感器包括牽引速度軸編碼器、機身傾角傳感器、左右搖臂傾角傳感器、左右截割電機溫度傳感器、左右牽引電機溫度傳感器、左右截割電機電流傳感器、左右牽引電機電流傳感器，其作用是采集采煤機的狀態(tài)信息。這些傳感器采集到相應(yīng)的數(shù)據(jù)后，發(fā)送給機載控制器。機載控制器為PLC 控制器，其輸入模塊接收到機載傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)后，可以對這些數(shù)據(jù)進行處理，并通過以太網(wǎng)通訊模塊發(fā)送給遠程的順槽控制器。機載控制器可以進行模式選擇、狀態(tài)監(jiān)測、異常處理，并通過輸出模塊發(fā)出控制指令，以控制左右搖臂的上升或下降，電磁閥、采煤機自動電磁閥、牽引電機控制器接收到這些控制指令后，做出相應(yīng)的調(diào)高或調(diào)速動作，完成自動截割。順槽控制器可以將所有監(jiān)控數(shù)據(jù)上傳至采煤機監(jiān)控平臺和無線MESH 交換機網(wǎng)絡(luò)管理平臺，實現(xiàn)遠程操控和網(wǎng)絡(luò)管理。

圖2 記憶截割系統(tǒng)的總體架構(gòu)

4 記憶截割控制流程

采煤機記憶截割控制流程如圖3 所示，采煤機開始采煤作業(yè)后，選擇采煤機的工作模式，記憶截割系統(tǒng)具有三種工作模式可供選擇：手動操作模式、自動運行模式、示范模式。選擇手動操作模式時，采煤機作業(yè)全程由司機控制，采煤機的牽引速度和滾筒高度均由司機操作經(jīng)驗決定。選擇自動運行模式后，需要進行示范模式判斷，在示范模式下，采集采煤機的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，并對此數(shù)據(jù)形成路徑記憶。如果選擇自動運行模式，則直接載入上次記憶的路徑，并對此路徑進行跟蹤。在跟蹤路徑過程中傳感器仍然實時采集數(shù)據(jù)，如果判斷發(fā)生了煤層厚度變化，還能根據(jù)自適應(yīng)算法進行自動調(diào)節(jié)，重新形成記憶路徑。形成新的路徑后判斷采煤機狀態(tài)是否正常，如果正常則機載控制器向左右搖臂以及牽引電機等執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制指令，如果采煤機狀態(tài)異常，則需要司機進行人工干預(yù)，形成新的路徑。

圖3 采煤機記憶截割控制流程

5 結(jié)語

記憶截割是一種智能化程度很高的綜采工作面自動化技術(shù)，通過采集采煤機的位置和姿態(tài)信息，參照示范刀的截割路徑，可以使采煤在沒有人工干預(yù)的情況下完成數(shù)個截割周期，實現(xiàn)采煤效率最大化，減輕采煤機司機的勞動強度。智能傳感技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、截割路徑優(yōu)化技術(shù)將是記憶截割技術(shù)未來的發(fā)展和研究方向。