賀新星

（中煤科工集團(tuán)上海有限公司，上海 200030）

我國的煤炭資源儲(chǔ)備較為豐富，其開采量一直處于世界前列。隨著開采技術(shù)的不斷進(jìn)步，煤炭資源的智能化和自動(dòng)化開采逐漸成了煤礦采集的主流。在這個(gè)過程中采煤機(jī)作為礦井和煤炭資源的開采設(shè)備具有重要的作用。智能化采集的過程能夠有效地根據(jù)煤層的具體條件和狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。因此，在這個(gè)過程中智能自動(dòng)控制和狀態(tài)的實(shí)時(shí)評價(jià)感知是技術(shù)的核心。

智能化和自動(dòng)化的適用條件使機(jī)械設(shè)備能夠根據(jù)煤層的狀態(tài)來實(shí)時(shí)地進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。在該領(lǐng)域當(dāng)中有學(xué)者根據(jù)智能化技術(shù)的應(yīng)用開展了一定的研究。其研究應(yīng)用主要是智能化感知和控制技術(shù)的軟硬件開發(fā)等領(lǐng)域。同時(shí)還可以積極引入GIS等相關(guān)技術(shù)對已有的研究內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)智能感知、實(shí)時(shí)控制、數(shù)據(jù)攔截以及可視化監(jiān)控等目標(biāo)。為智能化的綜合采集打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。采煤機(jī)的自動(dòng)化體現(xiàn)在其具有煤巖體識(shí)別技術(shù)、煤層的切割技術(shù)，并且可以通過遠(yuǎn)程控制進(jìn)行工作。

1 滾筒采煤機(jī)的自動(dòng)割煤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

滾筒采煤機(jī)的自動(dòng)割煤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要是由主控單元、自動(dòng)控制單元以及各類執(zhí)行單元組成。硬件設(shè)備中傳感器是機(jī)械設(shè)備的重要組成部分[1]。尤其是在機(jī)械傳動(dòng)、采煤機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行以及環(huán)境監(jiān)測等方面，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測和測量環(huán)境數(shù)據(jù)。最終將監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總到了采煤機(jī)主板當(dāng)中。同時(shí)在控制系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)程中，運(yùn)行構(gòu)件單元主要是由主控單元、自動(dòng)控制單元、執(zhí)行單元和相應(yīng)的信號(hào)采集數(shù)據(jù)傳輸單元等組成[2]。其中傳感器測試單元作為核心的硬件設(shè)備在監(jiān)測機(jī)械傳動(dòng)和采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，能夠?qū)崟r(shí)傳輸數(shù)據(jù)。因此，在控制硬件的參數(shù)的控制進(jìn)程主要是圍繞著采煤機(jī)的開關(guān)控制信號(hào)以及頻率監(jiān)測信號(hào)、繼電器的燈光控制信號(hào)進(jìn)行展開。根據(jù)工作參數(shù)的趨勢變化，可以分為電氣控制板、液壓水路控制板以及機(jī)械傳動(dòng)控制板等多個(gè)板面控制形式。

自動(dòng)控制系統(tǒng)當(dāng)中的智能算法是控制的核心，其中心的解決部件為中央控制器，能夠?qū)崟r(shí)地對運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，并結(jié)合著煤巖識(shí)別技術(shù)及時(shí)地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和割煤的命令處理，并最終將處理結(jié)果實(shí)時(shí)地傳輸?shù)讲擅簷C(jī)的運(yùn)行控制主板當(dāng)中[3]。滾筒采煤機(jī)的控制運(yùn)行系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。

圖1 滾筒采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

2 采煤機(jī)相關(guān)狀態(tài)的感知智能技術(shù)

目前智能化的采煤機(jī)的研究重點(diǎn)主要是采煤機(jī)的定位和切割技術(shù)，但是在技術(shù)應(yīng)用上仍舊存在較多的問題點(diǎn)，需要進(jìn)一步研究和開發(fā)。其要求主要是能夠隨著煤層的覆存條件和開采狀態(tài)達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的。因此在智能開采的進(jìn)程中，煤層狀態(tài)感知和智能控制是該參數(shù)的核心。多數(shù)研究學(xué)者都圍繞著環(huán)境參數(shù)信號(hào)對采煤機(jī)進(jìn)行自適應(yīng)的調(diào)高和停機(jī)等功能。

2.1 智能感知原理

電氣主控板的技術(shù)參數(shù)控制內(nèi)容主要包括電壓等級控制、電流和電壓變松控制等。其中在采煤機(jī)的牽引電機(jī)部分安裝2個(gè)電流傳感裝置。其電流的監(jiān)測范圍上限為500A。同時(shí)在滾筒以及牽引電機(jī)部分安裝有溫度傳感器。能夠有效地將扭轉(zhuǎn)變化作為滾筒的負(fù)載變化進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測和判斷。其中液壓的水路板控制有液壓油箱的位感傳感器以及壓力傳感器和溫度傳感器。根據(jù)壓力傳感器能夠有效的監(jiān)測到進(jìn)出口的壓力變換。當(dāng)進(jìn)出口的壓力變化閾值超過系統(tǒng)的運(yùn)行揚(yáng)程外時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警。當(dāng)進(jìn)出口壓力過小時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)判斷機(jī)組運(yùn)行狀況，綜合考慮管道漏液以及節(jié)點(diǎn)泄露等問題。同時(shí)在進(jìn)出口的位置上設(shè)置有溫度傳感器，主要是用于實(shí)時(shí)的監(jiān)測冷卻出口的溫度。同時(shí)安裝壓力傳感器，其數(shù)字采集口為5個(gè)，模擬參數(shù)的采集量為22個(gè)，線路的連接口為3個(gè)。同時(shí)在傳動(dòng)監(jiān)控的系統(tǒng)中的油箱內(nèi)部也安裝有軸承溫度傳感器，進(jìn)而有效的反應(yīng)油箱內(nèi)部的溫度情況。供電的電壓為24V左右。同時(shí)在機(jī)組的箱體內(nèi)部安裝有濃度傳感器，監(jiān)測的變量為瓦斯參數(shù)[4]。當(dāng)傳感器輸出異常參數(shù)時(shí)，進(jìn)行報(bào)警。

2.2 采煤機(jī)的定位技術(shù)

采煤機(jī)在行進(jìn)的進(jìn)程中其工作軌跡是參照著輸送導(dǎo)軌的走向進(jìn)行確定的，因此液壓架的智能調(diào)節(jié)也直接決定著作業(yè)面采煤截割的情況。所以在智能化和自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的進(jìn)程中，核心技術(shù)是關(guān)于地質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的三維定位情況的探索。采煤機(jī)的定位功能原理主要是無線傳感網(wǎng)和紅外線等基本技術(shù)。同時(shí)以地理信息數(shù)據(jù)技術(shù)以及超聲波技術(shù)進(jìn)行輔助。在地理信息技術(shù)GIS定位當(dāng)中，需要將慣性的導(dǎo)航系統(tǒng)安裝在自動(dòng)控制系統(tǒng)當(dāng)中，以此來實(shí)時(shí)地對采煤機(jī)運(yùn)行姿態(tài)以及行走方向進(jìn)行控制。同時(shí)還可以在鉸接軸及搖臂上安裝好編碼器。能夠?qū)崟r(shí)地測量搖臂的旋轉(zhuǎn)角度，進(jìn)行距離和角度的測量。

2.3 煤巖綜采界面的感知

在實(shí)際的挖掘進(jìn)程中，由于煤層的分布大多為不規(guī)則的分布形式，由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)的不均勻變化，煤層內(nèi)普遍存在夾巖石的情況。目前采煤機(jī)智能化技術(shù)當(dāng)中界面技術(shù)主要采用射線及激光雷達(dá)探測技術(shù)進(jìn)行煤層的情況調(diào)查，隨著硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，多參數(shù)感知和協(xié)同技術(shù)也逐漸應(yīng)用到其中。并且取得了良好的應(yīng)用效果。這種應(yīng)用方法參考了數(shù)據(jù)挖掘的相關(guān)算法和應(yīng)用形式，能夠有效地將多個(gè)功能傳感器的參數(shù)和檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，對煤層參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)定位。

除了機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)測以外，還會(huì)對采煤層的運(yùn)行進(jìn)程進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控和調(diào)整，在運(yùn)行姿態(tài)的監(jiān)控板當(dāng)中，涵蓋了滾筒高度監(jiān)測以及采煤機(jī)工作傾角監(jiān)測等數(shù)據(jù)參數(shù)。在滾筒的搖臂位置上布置好位置監(jiān)控板，監(jiān)控板能夠依據(jù)左右搖臂的復(fù)合角度來折算采煤機(jī)滾筒的所需高度。傾角的計(jì)算主要是依靠雙軸的傾斜角和電子傾角。因此在系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計(jì)進(jìn)程中需要在滾筒的齒輪部位安裝好旋轉(zhuǎn)的編碼器。因此滾筒采煤機(jī)的自動(dòng)化控制主要是依據(jù)機(jī)械設(shè)備的控制器和主控板來完成的，能夠進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的斷電和送電等指令操作。同時(shí)還能夠有效地控制好電動(dòng)機(jī)的啟停和切割，進(jìn)行牽引力的轉(zhuǎn)換等操作。因此智能控制系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)程中可以不需要邏輯語言的計(jì)算，僅通過工作人員的手動(dòng)操作即可完成基本命令。但是整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行不僅需要自動(dòng)運(yùn)行控制系統(tǒng)，同時(shí)還可以結(jié)合著手動(dòng)控制系統(tǒng)來進(jìn)行輔助。

3 采煤機(jī)功能的智能控制相關(guān)模型

3.1 截割功能控制的狀態(tài)

煤壁的作業(yè)形式主要都是由截割部分進(jìn)行完成的，大煤塊粉碎進(jìn)行差分粉碎，在行進(jìn)的過程當(dāng)中，電動(dòng)機(jī)的功能信號(hào)挖掘形式主要是分為啟動(dòng)和停機(jī)2種工況。因此要完整的截割和破碎需要在完整的邏輯功能應(yīng)用形式的基礎(chǔ)上加裝電動(dòng)機(jī)的啟停和保護(hù)程序，實(shí)現(xiàn)整個(gè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化控制。

算了，不提了，還是回到王爺?shù)默F(xiàn)在吧。過去了的好壞，都已經(jīng)過去了，人得看著前面的路走。人家老天爺要這樣，難不成你砸他一個(gè)窟窿？

3.2 姿態(tài)的控制

電牽引式的采煤機(jī)能夠通過簡單的記憶功能實(shí)現(xiàn)截割過程，同時(shí)為了有效地對滾筒進(jìn)程進(jìn)行調(diào)整，也需要對牽引速度實(shí)時(shí)進(jìn)行改變。其調(diào)整能力和調(diào)整余量能夠顯著地影響牽引速度，同時(shí)也決定著采煤機(jī)的運(yùn)行狀況?？梢愿鶕?jù)設(shè)備的狀態(tài)空間、附屬函數(shù)以及附件條件對姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)修正[5]。通過牽引功能來實(shí)現(xiàn)變頻技術(shù)的控制，保證截割的路徑接口能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行控制。盡管采用采煤機(jī)的姿態(tài)行程建模能夠保證姿態(tài)的調(diào)節(jié)。但前提是需要能夠穩(wěn)定地獲取煤層的基礎(chǔ)信息位置。因此這就需要對煤巖層的界面進(jìn)行精準(zhǔn)的識(shí)別。

3.3 牽引的控制

采煤機(jī)牽引變頻控制是建立在總線控制的基礎(chǔ)之上進(jìn)行的，其具體的控制方式主要是通過主變頻器的轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的牽引。因此變頻器的工作模式主要分為2種：1）切割規(guī)劃路徑的牽引和調(diào)節(jié)模式。2）截割恒定功率的牽引模式。這2種模式的共同作用下，共同實(shí)現(xiàn)牽引的進(jìn)程。

3.4 滾筒截割調(diào)高的控制

當(dāng)滾筒截割進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，需要結(jié)合采煤機(jī)的實(shí)際運(yùn)行速度以及電機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中的運(yùn)行電流參數(shù)和采煤機(jī)曲線范圍來共同決定采煤機(jī)的運(yùn)行高度。因此需要實(shí)時(shí)地對周邊環(huán)境進(jìn)行感知。所以在邏輯控制范圍中，必須要設(shè)置好模糊牽引的速度以及電機(jī)電流的大小，同時(shí)對于油缸的微分位移和搖臂傾角也要做好相應(yīng)的參數(shù)設(shè)定，并設(shè)置好上限的報(bào)警界線，保證設(shè)備的運(yùn)行安全。通過槽型控制臺(tái)的組合開關(guān)能夠有效地進(jìn)行上電和斷電控制。其余的控制模式主要是本地控制或者是采用采煤機(jī)專用的遙控器來進(jìn)行控制。采煤機(jī)設(shè)備上會(huì)安裝監(jiān)測計(jì)算機(jī)，能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)測采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和遙控器狀態(tài)。但是不具備記憶截割以及設(shè)備裝填監(jiān)測和無線通信的要求。其中慣導(dǎo)系統(tǒng)、智能化的互感單元以及溫度測試模塊等數(shù)據(jù)主要是通過CAN總線傳輸?shù)较到y(tǒng)的主控模塊當(dāng)中，并且數(shù)據(jù)傳輸可以依靠Wi-Fi技術(shù)將CAN總線數(shù)據(jù)和機(jī)載的視頻數(shù)據(jù)傳輸至集控中心，經(jīng)過集控中心采集后即可完成智能化的控制。進(jìn)而在系統(tǒng)運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)牽引速度控制和采煤機(jī)滾筒的智能高度控制等。采煤機(jī)主控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸原理如圖2所示。

圖2 采煤機(jī)主控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸

主控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸能夠不依賴任何外部信息和外部輻射能量的自助式導(dǎo)航系統(tǒng)，具有隱蔽性好并且能夠在各類復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)的特點(diǎn)。同時(shí)在結(jié)構(gòu)的組成部分當(dāng)中，主要包括一種無框架系統(tǒng)、3個(gè)速率陀螺儀及3個(gè)加速計(jì)和微型計(jì)算機(jī)。通過對采煤機(jī)慣性參考系的加速度進(jìn)行測量，能夠?qū)崿F(xiàn)對于時(shí)間的積分，保證井下采煤機(jī)的航向變化和姿態(tài)的實(shí)時(shí)調(diào)整。進(jìn)而在回采的進(jìn)程中，能夠通過不斷與初始的航向角進(jìn)行比較，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的調(diào)整，并且結(jié)合液壓支架的精細(xì)管理，實(shí)現(xiàn)綜合采集面的管理。在實(shí)際的運(yùn)行進(jìn)程中，智能互感單元主要用于檢測左右切割電機(jī)和牽引變壓器的控制。進(jìn)而通過CAN總線能夠有效地將信息數(shù)據(jù)傳送到主控模塊當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)電機(jī)數(shù)據(jù)的斷路、過載和超溫等保護(hù)措施。智能傳感器主要是用于采煤機(jī)內(nèi)部和外部之間的開關(guān)量和模擬量以及高速的脈沖信號(hào)進(jìn)行感應(yīng)。并且能夠通過CAN總線進(jìn)行主控模塊的測量，并且接受集控中心輸出的指令。同時(shí)智能遙控的接收器基本為無線遙控系統(tǒng)的運(yùn)行模式，能夠有效地實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒的升降和牽引控制。

4 系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

控制部分的系統(tǒng)主要是由傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊以及繼電設(shè)備等模塊組成。通過硬件設(shè)備的組合能夠?qū)崿F(xiàn)采煤機(jī)的自動(dòng)控制，進(jìn)而能夠有效地監(jiān)視采煤機(jī)的運(yùn)行工況，并根據(jù)運(yùn)行參數(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備保護(hù)等功能。

4.1 模式控制

4.1.1 點(diǎn)動(dòng)

4.1.2 單控

主要區(qū)分為液壓部分的單控以及傳輸部分的單控和切割頭部分的單控等主要功能，這部分內(nèi)容主要是通過人工生產(chǎn)來進(jìn)行控制。

4.1.3 聯(lián)控

這部分主要是對液壓部分，系統(tǒng)的傳輸部分以及裝卸部分進(jìn)行聯(lián)合控制，是智能控制的終端。

4.2 軟、變頻啟動(dòng)控制

由于采煤機(jī)在實(shí)際的運(yùn)行進(jìn)程中功率較大，直接硬啟動(dòng)會(huì)對采煤機(jī)的硬件設(shè)備造成一定的沖擊。因此在啟動(dòng)的進(jìn)程中可以結(jié)合軟啟動(dòng)或變頻啟動(dòng)的模式進(jìn)行設(shè)備的開啟。減少電流對于硬件設(shè)備的沖擊。同時(shí)軟啟動(dòng)中具備了一定的通信能力，并且配置485的通信端口，并且參照Modbus 協(xié)議能夠更加有利于控制組件的銜接。

4.3 電機(jī)保護(hù)智能化

皮帶電機(jī)、刮板電機(jī)以及泵電機(jī)等動(dòng)力裝置都需要配有相應(yīng)的智能保護(hù)裝置，通過CPU智能終端設(shè)備對電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠有效地監(jiān)測出電路當(dāng)中的斷路、漏電和欠電壓等情況。同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)能夠有效地實(shí)現(xiàn)通信的基本功能。

4.4 智能自動(dòng)控制流程

采煤機(jī)裝置啟動(dòng)后，設(shè)備能夠按照逐級的開啟進(jìn)程對設(shè)備進(jìn)行部分啟動(dòng)，啟動(dòng)的順序及集成：液壓裝置啟動(dòng)并作業(yè)→切割臂按照煤層的分布進(jìn)行上升→到達(dá)切割位置點(diǎn)→切割程序開始進(jìn)行啟動(dòng)→皮帶機(jī)運(yùn)行裝置開啟→切割臂開始進(jìn)行作業(yè)→設(shè)定好采煤裝置的運(yùn)行值→循環(huán)采煤流程。

5 結(jié)語

采煤機(jī)的智能化切割作用在實(shí)際的生產(chǎn)作用中不僅截割效率高，同時(shí)還能夠有效地降低礦山勞動(dòng)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升采煤過程的安全性能。隨著智能化終端技術(shù)的不斷發(fā)展，智能化控制已經(jīng)逐漸成了礦山挖掘的熱門話題，該文對智能化終端設(shè)備和系統(tǒng)開展了采煤機(jī)智能化和自動(dòng)化的設(shè)計(jì)，為建設(shè)高智慧化的生產(chǎn)程序奠定基礎(chǔ)。