采煤機自動化自整定控制系統的設計及效果分析

常映輝

（1.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 030051；2.煤礦采掘機械裝備國家工程實驗室，山西 太原 030051）

引言

隨著采煤技術的不斷發展應用，自動化采煤成為礦井生產開采的主要形式，極大地提高了煤炭開采的效率及安全性[1]。采煤機作為煤礦綜采的主要設備，主要進行煤巖的截割及裝煤工作，其自動化程度及控制的精度對自動化綜采的實現具有直接的影響[2]。采煤機在煤巖截割的過程中，由于受煤巖地質條件的變化，對采煤機采高及牽引速度的自動化調節的精度具有較高的要求[3]。針對采煤機的控制系統，采用記憶截割、自整定控制的方式進行控制，并搭建自動化的控制系統[4]，提高采煤機的自動化控制水平，從而為自動化綜采的實現奠定基礎，提高煤礦開采的效率及安全。

1 采煤機自整定控制器的設計

采煤機在綜采過程中進行煤巖的截割及裝煤作業，由于煤層地質分布的變化，采煤機截割過程中的采高及牽引速度要進行實時的調整，以適應煤層的變化提高采煤機的截割效率。采煤機常規的控制方式采用PID 控制[5]，這種控制方式通過比例、積分及微分常數的調節實現對采煤機采高及牽引速度的反饋調節，這種控制方式能夠提高系統控制的精度[6]，具有良好的反饋效果，但在煤礦開采的過程中，由于調節過程的隨機性，PID 系統控制的非線性表現不足，且對系統隨機變化的響應時間較長，不能滿足系統的實時性調節需求。針對這一問題，采用PID 控制方式與其他的控制算法進行組合控制，從而提高系統控制的效果。

自整定控制方式在控制過程中不需要獲取采煤機控制對象的運動特性，依據采煤機運行過程中的工程經驗數值進行控制參數的賦值[7]，在控制系統的運行過程中對控制參數進行調整，從而實現提高控制精度的效果。采煤機自動化控制系統依據控制器的控制信號進行采煤機的截割及牽引機構的調節[8]，實現不同煤層地質條件的采煤機自動控制。

采煤機控制器依據運行參數進行自整定控制，從而提高采煤機控制的速度及準確度，自整定的PID 控制器作為控制系統的核心部分，通過對傳感器數據的采集分析與經驗值進行對比分析，對采煤機執行機構的數學模型進行辨識求解[9]，從而實現對采煤機參數的自動調整。在MATLAB 軟件中進行自整定系統的結構設計如圖1 所示，采用自整定的Autotuning 模塊實現采煤機的自整定控制。

2 采煤機自動化自整定控制系統的設計

采煤機的自動化控制主要針對牽引機構及截割結構的運行參數進行調節控制，牽引機構主要實現對牽引速度及行走方向的控制，截割機構主要實現截割速度及滾筒高度的調節。自動化控制系統通過傳感器進行采煤機運行狀態的監測[10]，當超出指定的高度時進行報警提示。依據系統的自整定控制器進行采煤機的記憶截割控制，并具有遠程監控控制的功能，控制系統的結構框圖如下頁圖2 所示。

采煤機的自動控制功能包括滾筒高度的自動調整、牽引速度的自動調節及不同工況下采煤工藝的組合及采煤機狀態的監測。具體的控制流程為控制系統依據傳感器采集的數據進行運行姿態的監測[11]，對數據進行分析處理，自整定控制器自動進行新的控制參數的計算，進行指令的下發進行采煤機的調節控制。滾筒高度的調節主要依靠記憶截割設定的滾筒高度，并將當前的信息與給定的數據進行對比[12]，牽引速度的調節主要依靠截割負載的信息進行自整定的反饋進行調節。

依據采煤機自動化控制系統的功能需求進行自動化控制系統的設計，功能框圖如圖3 所示。對于采煤機位置的檢測通過安裝旋轉編碼器進行測定，位置檢測信息的準確度是進行自動控制的前提。采煤機的牽引速度調節通過PLC 進行變頻器的控制，實現牽引電機運行速度的調節，行走方向通過變頻器改變電機的運動方向進行改變。PLC 與變頻器之間采用RS485 總線的形式進行通訊，讀取變頻器的數據，并在顯示界面中進行顯示，實現數據的實時顯示調節。

在自動化控制系統中，采用CAN 總線的形式進行數據的通訊連接，CAN 總線具有較高的可靠性及傳輸速度，連接布線的方式簡單，且具有較好的故障防護機制，能夠實現系統的穩定安全控制。針對采煤機內部高低壓線路的布置，在CAN 總線上進行隔離模塊的設計，從而防止信號的干擾突變，保證系統通訊的穩定。

采煤機自動控制系統采用記憶截割控制的方式，依據人工示范的基準運行，當工作面出現變化時，通過人工干預進行遠程控制調節采煤機的運行參數，從而對采煤機的運行參數進行自動存儲，并作為下一步自動控制的給定參數。當進行自動化控制時，采煤機依據傳感器返回的信號與記憶的存儲數據進行對比分析得到采煤機的工作狀態參數，對執行器發出控制指令，實現對采煤機的自動化調節控制。采用CX-Designer 組態軟件實現顯示器與PLC 系統的連接，進行控制界面的設計，實現采煤機運行參數的實時顯示及遠程控制的交互操作。

3 采煤機自動化自整定控制系統的應用效果

依據所設計的采煤機自動化控制系統應用到MG650 型礦井采煤機中，采煤機的采高范圍為3.0～5.5 m，在開采礦井工作面的長度為800 m，煤層的分布厚度為3.5～5.0 m，煤層的傾角為2°，對采煤機進行自動化控制系統的應用。當煤層的高度發生變化時，采煤機的自動化控制系統能夠依據煤層的變化進行采高的自動化調節，依據記憶截割的控制實現對模擬采高值的跟隨。采煤機能夠完成自動化的截割，達到自動化控制的目的。控制過程中存在著一定的調節誤差，這與采煤機的工作阻力、液壓阻尼等多種因素相關。

4 結語

采煤機的自動化控制是實現煤礦自動化綜采的重要基礎，采用自整定控制的方式設計了自整定控制器，并將其應用到采煤機的控制中，實現采煤機的自動化記憶截割控制，搭建了采煤機自動化控制系統，能夠依據煤層的變化自動進行采煤機運行參數的調節控制。應用所設計的采煤機自動化控制系統，對煤層變化時的采高控制進行效果分析，通過對比發現，采煤機能夠實現自動化的調節控制，提高采煤機運行的自動化程度，從而為實現綜采自動化奠定基礎，提高煤礦的開采效率及安全性。