采煤機姿態控制系統研究

張 霞

（汾西礦業集團礦山設備租賃分公司，山西 介休 032000）

0 引言

隨著先進的機電設備、控制系統以及通信方式等在煤礦應用，煤礦智能化水平得以不斷提升，井下煤炭開采也逐漸朝著智能化方向發展。采煤機結構及運行機理決定了采煤機控制系統運行較為復雜[1-2]。眾多研究學者及工程技術人員對采煤機控制系統展開研究，其中王志強和胡霞[3]綜合PLC、LabVIEW 構建采煤機采高控制系統，并從系統控制原理、整體結構、通信方式等方面展開研究；張旭輝等[4]構建了采煤機遠程控制模塊，以便解決核心控制器與采煤機遠程控制計算機、觸摸屏與變頻器等通信問題，并詳細闡述遠程控制模塊硬件、軟件結構。采煤機割煤時需要依據現場條件調整工作姿態，以便提高采煤機割煤效果現場應用過程中采煤機姿態多是通過工作人員經驗調節，姿態調節方式效率不高且缺乏智能化[5]。為此，本文就在借鑒前人研究成果基礎上，構建一套采煤機姿態控制系統，該系統包括姿態監測、姿態控制電氣系統，可實現采煤機姿態自動調節，達到提升采煤機割煤適應性以及割煤效率目的。

1 采煤機結構及姿態控制要求

1.1 采煤機結構

采煤機結構組成部分包括牽引傳動系統、電氣系統、截割系統以及其他輔助系統等。其中，牽引傳動系統結構包括行走箱、牽引電機及減速箱等，置于采煤機兩側，根據生產需要，牽引采煤機往返移動，為采煤機提供過載保護。電氣系統包括變壓器箱、變頻器箱、高壓開關箱及電動機等，用以采煤機運行控制、瓦斯監測等；截割部包括截割電機、滾筒以及搖臂等，置于采煤機兩端，實現割煤及落煤操作；為提高采煤效率并避免截割矸石，可通過調節機身傾角、搖臂傾角以及液壓調高油缸行程等方式調整采煤機割煤姿態。其他輔助系統結構包括水管電纜拖移裝置、冷卻噴霧裝置以及底托架等。

1.2 姿態控制要求

采煤機運行姿態控制根據采煤機在采面內不同位置調節，具體姿態控制主要目的包括：監測采煤機位置、姿態信息；通過視頻監控系統獲取采煤機工作狀態圖像；監測采煤機歷史運行數據；依據監測數據對采煤機姿態進行控制。具體可將采煤機姿態控制劃分成信號采集、控制規劃以及運動執行等層級，首先監測采煤機姿態并依據獲取到的采煤機圖像信息，對采煤機姿態調節進行預測。

2 姿態控制系統結構

煤礦井下電氣設備控制策略主要分為集中式以及分布式控制兩種模式。其中集中式控制對控制系統后臺計算機性能有較高要求，分布式控制對采面內設備分布要求更為精細?，F階段采面斜長較大部分采面斜長超過350 m，采煤機傾向移動范圍較大，因此采煤機姿態控制系統選用分布式。將分布式控制系統各組成單元分散到采面各位置，通過姿態控制系統與多個工業處理器相互聯合，實現采煤機姿態控制，總體控制方案如圖1 所示。

圖1 姿態控制系統整體結構示意圖

姿態控制系統硬件包括各類傳感器，監測采煤機運行姿態，實現數據傳輸、通信，選用的傳感器應具備防爆、防水等要求；電子羅盤用以監測采煤機姿態平衡位置，并記錄采煤機擺角、傾角。采煤機各連接部位采用液壓油缸連接，因此選用的壓力傳感器是液壓油壓力監測的關鍵。姿態監測中各傳感器、電子羅盤數據均匯總到編碼器解碼。

3 姿態監測及控制

3.1 姿態監測

3.1.1 位置檢測

采煤機位置檢測方案為：通過角位移傳感器對采煤機行走輪角速度進行監測，以便實現位移檢測；采煤機行走輪角度及圈數數據傳輸至編碼器后形成脈沖信號，隨后通過數據傳輸總線將信號傳輸給PLC 進行處理，具體采煤機位置檢測技術方案如圖2 所示。

圖2 采煤機位置檢測技術方案

3.1.2 姿態檢測

在MG2×200/500-WD 采煤機上隨機配置有HMR3300 型電子羅盤，姿態檢測系統是用電子羅盤實現采煤機航向角、橫滾角以及傾角等關鍵姿態參數采集。HMR3300 型電子羅盤通過橫滾傳感器以及磁阻傳感器雙重測量，并將獲取數據傳輸至存儲器；電子羅盤與控制計算機通信接口連接，通過控制計算機對采煤機仰俯角解析，并對檢測得到的采煤機姿態數據進行調節、修正。

3.1.3 視頻監控

在采煤機機身上配備FA-IE088M 型工業相機，對采煤機運行姿態進行視頻監控，控制計算機對獲取到的采煤機姿態圖片進行分析，從而確定采煤機姿態。采用的FA-IE088M工業相機可實現高速物體抓拍，圖像拍攝質量較佳，信噪比為60 dB。

3.2 姿態控制

3.2.1 姿態控制整體性分析

采煤機運行受采面內刮板輸送機及液壓支架等影響，懸臂姿態受采面作業空間影響。影響機身姿態參數包括懸臂傾角、機身傾角，底板不平整時會導致刮板輸送機不平整，進而影響割煤高度，采煤機割煤高度受懸臂擺角影響。

采煤機采高通過液壓伺服系統調節，具體可由電磁閥控制液壓伺服系統液壓油運動，液壓油推動液壓缸活塞移動實現液壓伺服系統動作控制。采煤機姿態控制影響參數包括懸臂傾角、滾筒高度、調高油缸行程等。在控制軟件中將調高油缸行程作為控制量，將懸臂傾角作為監測量，當采面底板呈傾斜狀態時，采煤機機身傾角應綜合底板傾角、搖臂水平面傾角綜合計算確定。在采煤機姿態控制系統設計時，應充分考慮采面底板不平、煤層傾角問題，特別是采面仰采時底板不平整會導致采煤機機身穩定性變差。

3.2.2 姿態控制方案

不同區域內煤層賦存地質條件存在差異，因此基于動態設計理念設計姿態控制方案。采煤機截割部截割不同硬度煤巖體時，液壓油缸壓力會出現一定變化，因此可依據液壓油缸壓力變化調節采煤機姿態，并依據煤層厚度修正采高。首先記錄采煤機在正常地質條件下割煤時液壓油缸壓力值Q1，其次在采煤機自動控制時記錄液壓油缸壓力Q2，兩個壓力差Q0應在合理范圍內。如果Q0超過一定范圍，則應按照控制指令進行調節。具體修正流程如圖3 所示。

圖3 姿態修正流程

3.2.3 截割高度自動調整

煤層賦存條件復雜，要求采煤機應對不平整底板有較強的適應性。在采煤機截割時，需要依據煤層賦存變化調整割煤高度、運行姿態。綜采工作人員依據現場條件設計割煤軌跡，并按擬定速度前移；由于采煤機推進速度較低且伺服電機調節具有一定延時性，導致采煤機截割高度不宜頻繁調節。為提升采煤機姿態控制效率，將采面劃分為30×30 網格并采集信息。

采煤機割煤時姿態控制系統發出采高調整信號并輸出偏差電壓信號，該信號會通過電磁閥控制液壓油缸動作，從而實現懸臂狀態調整。當懸臂狀態達到預先設定位置后會發出一個反饋信號，反饋信號與偏差電壓信號比對，當兩個信號差值在系統規定值范圍內時，即停止懸臂狀態調節，從而實現采高自動調整。具體采高自動調整流程如圖4 所示。

圖4 采高自動調整流程

4 現場應用分析

山西某礦3506 綜采工作面回采3 號煤層，煤厚均值3.5 m，傾角5°，頂底板以砂巖及碳質泥巖為主，賦存較為穩定，開采范圍內地質構造不發育。采面設計推進長度950 m、傾向長度180 m，使用的采煤機型號為MG2×200/500-WD。將文中所述采煤機姿態控制系統應用到3506 綜采工作面采煤機控制中，對人工控制與姿態控制時采煤機運行情況進行監測，結果如表1 所示。

表1 人工控制與姿態控制時采煤機運行監測結果

從表1 可以看出，應用采煤機姿態控制系統后，采煤機牽引速度以及生產效率等均有所提升，同時現場應用期間控制系統運行平穩，采煤機可根據現場條件變化自動調節割煤姿態，期間基本不需要人工干預，應用效果較為顯著。

5 結語

采煤機是井下采煤工作面主要開采設備，受煤層賦存條件以及現場生產環境等因素影響，采煤機運行姿態經常出現變化，常規的人工調節方式落后，為此文中構建一種采煤機姿態控制系統。該控制系統通過傳感器、電子羅盤以及工業照相機等實現采煤機位置、姿態監測，并可依據現場條件變化自動調整割煤姿態。構建的采煤機姿態控制系統結構較為簡單，具有較強的適應性，現場應用效果顯著。該研究成果可為礦井智能化綜采工作面構建提供經驗借鑒。