胥志強(qiáng)

（山西汾河焦煤股份有限公司回坡底煤礦，山西 洪洞 041600）

隨著工業(yè)機(jī)械化水平的不斷提高，煤礦生產(chǎn)設(shè)備的自動化、 智能化水平也得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，采煤作業(yè)的智能化發(fā)展對于提高采煤作業(yè)效率和保障安全生產(chǎn)具有重要意義。 對于采煤機(jī)的智能化研究已有多年，根據(jù)采煤機(jī)截割部位電流變化，采煤機(jī)牽引部及油缸信息的改變，實(shí)現(xiàn)了對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的識別，基于小波分析理論，實(shí)現(xiàn)了對采煤機(jī)的自動化控制[1-4]?，F(xiàn)有研究中，對于復(fù)雜煤巖狀態(tài)下的采煤機(jī)截割路徑的跟蹤較少，無法實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速及高度的智能調(diào)整，作業(yè)效率低下，設(shè)備損壞率高[5-6]。 本文基于實(shí)測數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的深層次分析，基于自適應(yīng)修正控制策略，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)的自動化控制。

1 采煤機(jī)截割狀態(tài)識別方法

形成采煤機(jī)截割路徑記憶是實(shí)現(xiàn)其自適應(yīng)截割技術(shù)的重要基礎(chǔ)，具體實(shí)現(xiàn)原理如下：采集采煤機(jī)截割過程中所用工作狀態(tài)相關(guān)信息，然后對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行批量處理，主要包括數(shù)據(jù)的深入分析、優(yōu)化處理，此過程中需要將截割過程中設(shè)備的振動、抖動信息進(jìn)行消除，對處理完成的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，存儲至設(shè)備控制器上，經(jīng)過控制器的分析處理，形成系統(tǒng)性的操作指令，基于人機(jī)界面顯示出來，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自適應(yīng)截割。 在此過程中，信息的優(yōu)化處理是核心，也是采煤機(jī)截割狀態(tài)的重要識別方法，本文主要基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的優(yōu)化。

在采煤機(jī)內(nèi)部安裝9 個傳感器，分別監(jiān)測機(jī)身位置、機(jī)身傾角、調(diào)高油缸位移、搖臂傾角、牽引速度、截割電機(jī)電流、牽引電機(jī)電流、截割電機(jī)溫度、牽引電機(jī)溫度的變化。 傳感器主要有邏輯傳感器、傾角傳感器、位移傳感器、位置傳感器、電流傳感器、溫度傳感器，各類傳感器采集數(shù)據(jù)最高可達(dá)到41 兆字節(jié)，需要對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮、優(yōu)化并存儲，為后續(xù)分析提供便利。

實(shí)際生產(chǎn)中，采煤機(jī)截割過程中數(shù)據(jù)量巨大，因此控制器會接收到海量的數(shù)據(jù)。 考慮到控制器一定的數(shù)據(jù)存儲能力，部分?jǐn)?shù)據(jù)無法進(jìn)行存儲，而實(shí)際過程中會存在大量重復(fù)、無用的數(shù)據(jù)，造成存儲空間的浪費(fèi)。 截割路徑記憶點(diǎn)的選取方案就是對數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化的關(guān)鍵步驟，減少數(shù)據(jù)量的同時，縮短了后期數(shù)據(jù)的篩選壓縮時長，具體選擇方案示意圖如圖1所示。 從圖1中可以看出，記憶點(diǎn)的選取方案主要有三種，常規(guī)記憶點(diǎn)路線是在采煤機(jī)工作期間以間隔時間為記憶點(diǎn)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，無論采煤機(jī)是否處于工作狀態(tài)，都會自動記錄數(shù)據(jù)，造成數(shù)據(jù)量過多。 關(guān)鍵記憶點(diǎn)則是當(dāng)采煤機(jī)處于工機(jī)工作期間以間隔時間為記憶點(diǎn)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，無論采煤機(jī)是否處于工作狀態(tài)，都會自動記錄數(shù)據(jù)，造成數(shù)據(jù)量過多。 關(guān)鍵記憶點(diǎn)則是當(dāng)采煤機(jī)處于工作狀態(tài)時，在控制命令的作用下，設(shè)備的工作狀態(tài)發(fā)生改變，此時對設(shè)備的記錄稱為關(guān)鍵記憶點(diǎn)，主要記錄設(shè)備啟動、停止以及速度變化時的狀態(tài)，因此記憶點(diǎn)開始和結(jié)束分別代表設(shè)備的啟動和停止。 特殊記憶點(diǎn)主要是指采煤機(jī)發(fā)生異常節(jié)點(diǎn)的記憶，一般是指設(shè)備由正常狀態(tài)轉(zhuǎn)向異常狀態(tài)節(jié)點(diǎn)或者由異常狀態(tài)轉(zhuǎn)向正常狀態(tài)節(jié)點(diǎn)。 采煤機(jī)自適應(yīng)修正控制策略主要采用關(guān)鍵記憶點(diǎn)路線和特殊記憶點(diǎn)路線進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，進(jìn)而達(dá)到數(shù)據(jù)優(yōu)化的目的，減少了重復(fù)、無用數(shù)據(jù)的采集，提高了工作效率。

圖1 截割路徑記憶點(diǎn)選取方案

在采煤機(jī)運(yùn)行過程中，隨著巖層位置的起伏變化，相應(yīng)的截割動作也需進(jìn)行調(diào)整、發(fā)生變化，這也是保護(hù)設(shè)備的必要操作。 對于設(shè)備的調(diào)整主要依賴傳感器采集的數(shù)據(jù)，采煤機(jī)數(shù)據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)齊全，是煤巖截割狀態(tài)識別的重要基礎(chǔ)，可以根據(jù)采集數(shù)據(jù)對采煤機(jī)高度和運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下設(shè)備的最優(yōu)運(yùn)行。 礦井機(jī)械設(shè)備的智能化運(yùn)行，也是基于記憶特性實(shí)現(xiàn)，通過自適應(yīng)調(diào)節(jié)對采煤機(jī)進(jìn)行精確化控制。 工作狀態(tài)下，采煤機(jī)的牽引、截割滾筒的升降以及推溜工作主要通過調(diào)整牽引速度和高度完成，自適應(yīng)調(diào)控系統(tǒng)可以有效避免電機(jī)阻力過大及截割齒輪的斷裂問題，有效規(guī)避機(jī)械設(shè)備與巖層的硬碰硬現(xiàn)象。因此，選擇這兩個參數(shù)作為設(shè)備調(diào)控自適應(yīng)的因素。 采煤機(jī)自適應(yīng)修正控制策略如圖2 所示，通過在采煤機(jī)內(nèi)部安裝9 個傳感器，分別監(jiān)測機(jī)身位置、機(jī)身傾角、調(diào)高油缸位移、搖臂傾角、牽引速度、截割電機(jī)電流、牽引電機(jī)電流、截割電機(jī)溫度、牽引電機(jī)溫度的變化，采用關(guān)鍵記憶點(diǎn)路線和特殊記憶點(diǎn)路線進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，采集得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化。 信號處理器模型的核心是利用小波包分解特征向量對處理的信號進(jìn)行提取識別，經(jīng)過三層分解、特征向量的歸一化處理等手段，可以實(shí)現(xiàn)煤巖的識別狀態(tài)。 基于識別效果，自動控制系統(tǒng)可進(jìn)行速度和高度參數(shù)的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)調(diào)控自適應(yīng)修正的目的。

圖2 采煤機(jī)自適應(yīng)修正控制策略

2 采煤機(jī)自適應(yīng)修正控制策略

采煤機(jī)自適應(yīng)修正控制策略是在大量數(shù)據(jù)處理、壓縮、融合的基礎(chǔ)上，依賴于采煤機(jī)截割狀態(tài)識別模塊，獲取數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)修正控制策略。 首先需要判斷設(shè)備的截割狀態(tài)，當(dāng)采煤機(jī)在截割巖石時，則需要適當(dāng)降低滾筒的高度 （避免采煤機(jī)滾筒與巖層的直接接觸，減少設(shè)備的損壞），然后重新進(jìn)行煤巖識別，直至采煤機(jī)處于截割煤炭狀態(tài)。 相反，當(dāng)采煤機(jī)在截割煤炭時，則需要判斷煤炭中的矸石夾層，基于截割危險系數(shù)，當(dāng)煤層中含有矸石夾矸時，則需要適當(dāng)提高滾筒的轉(zhuǎn)速（矸石的強(qiáng)度較弱，增加設(shè)備轉(zhuǎn)速，可以提高生產(chǎn)效率），以采煤機(jī)的滾筒為例，自適應(yīng)修正控制策略如下：

（1）先進(jìn)行初始化操作，確定設(shè)備運(yùn)行的基本參數(shù)，然后根據(jù)截割路徑記憶點(diǎn)選取方案，對設(shè)備運(yùn)行過程中的參數(shù)進(jìn)行記錄采集，通過數(shù)據(jù)的優(yōu)化處理，得到有效積累數(shù)據(jù)。

（2）然后根據(jù)記錄數(shù)據(jù)的反饋，得到采煤機(jī)滾筒的記憶運(yùn)行軌跡，根據(jù)記憶軌跡設(shè)置設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，令設(shè)備在特定運(yùn)行參數(shù)下運(yùn)行。

（3）此處自適應(yīng)修正控制策略主要是采煤機(jī)滾筒，因此運(yùn)行煤巖截割狀態(tài)識別模塊，根據(jù)截割煤巖的狀態(tài)，調(diào)整滾筒的高度以及運(yùn)行速度。

（4）滾筒運(yùn)行速度的調(diào)整需要依賴截割危險系數(shù)，當(dāng)截割危險系數(shù)在合理范圍內(nèi)時，則可以適當(dāng)增加滾筒的運(yùn)行速度；當(dāng)截割危險系數(shù)不在合理范圍內(nèi)時，則需要適當(dāng)降低滾筒的運(yùn)行速度。

（5）根據(jù)煤層厚度的變化，基于安全采高模塊、運(yùn)動參數(shù)調(diào)控模塊實(shí)時更新記憶點(diǎn)，尤其是關(guān)鍵點(diǎn)和特殊點(diǎn)的更新，然后重新運(yùn)行步驟（2），得到采煤機(jī)滾筒新的記憶運(yùn)行軌跡。

在采煤機(jī)運(yùn)行過程中，根據(jù)控制策略可發(fā)現(xiàn)一些突發(fā)狀況，尤其是基于截割危險系數(shù)對于滾筒運(yùn)行速度的調(diào)控，可以有效降低設(shè)備沖擊過程中的破壞，提高工作效率，確保截割過程的安全性。

3 工程應(yīng)用

圖3 為修正控制過程中滾筒速度的變化曲線。 當(dāng)采煤機(jī)滾筒在截割之前，運(yùn)行速度處于穩(wěn)定狀態(tài)。 當(dāng)遇到巖壁時，在沖擊作用下，運(yùn)行速度發(fā)生改變，此時截割危險系數(shù)會迅速上升，基于控制策略中煤巖截割狀態(tài)識別模塊可以得到具體的截割狀態(tài)，然后系統(tǒng)會提高滾筒的運(yùn)行速度，此過程僅約為0.5 s，隨后穩(wěn)定運(yùn)行。 當(dāng)煤層中含有夾矸時，隨著滾筒力矩載荷的變化，牽引速度也會有一定的起伏，牽引速度的起伏變化可以有效降低沖擊載荷對設(shè)備的損耗，也可以降低截割危險系數(shù)，達(dá)到設(shè)備的自適應(yīng)修正控制。 圖3 為修正控制過程中遇夾矸牽引速度的變化曲線。 牽引速度在0.5 s后基本穩(wěn)定運(yùn)行，有兩個階段的起伏，其都是煤層中夾矸所致，1 s附近夾矸的硬度較大，牽引速度起伏較大，2 s過后，煤層中夾矸均勻，牽引速度起伏變化小，且呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。 整體而言，采煤機(jī)自適應(yīng)修正控制策略對于設(shè)備的智能化控制有良好的效果。 圖4 為修正控制前遇頂板巖層采煤機(jī)滾筒軸部扭矩載荷變化規(guī)律。 采煤機(jī)滾筒軸部扭矩的變化更能真實(shí)地反映設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，可以看出，修正控制前，扭矩載荷變化呈現(xiàn)雙峰變化，在1.01 s左右達(dá)到第一個峰值，在2.25 s左右達(dá)到第二個峰值，整體呈現(xiàn)無規(guī)律的變化狀態(tài)，采煤機(jī)牽引速度的變化理論上與采煤機(jī)滾筒軸部扭矩載荷的變化規(guī)律一致。 修正控制過程中遇頂板巖層滾筒速度的變化曲線如圖5 所示，可以看出采煤機(jī)牽引速度在0.5 s后達(dá)到穩(wěn)定，在1.01 s左右出現(xiàn)波動，經(jīng)過修正后達(dá)到穩(wěn)定，隨后在2.25 s左右出現(xiàn)波動，隨后趨于穩(wěn)定狀態(tài)，在2.8 s后降低至1.5 m/s左右，修正過程中，設(shè)備的運(yùn)行速度較為穩(wěn)定，達(dá)到自動控制的目的。

圖3 修正控制過程中遇夾矸牽引速度的變化曲線

圖4 修正控制前遇頂板巖層扭矩載荷變化規(guī)律

圖5 修正控制過程中遇頂板巖層滾筒速度的變化曲線

采煤機(jī)的實(shí)際運(yùn)行過程中，如果是縱向推進(jìn)采煤，隨著煤層賦存條件的改變，采煤機(jī)必然會接觸到頂板的巖層，如果不對采煤機(jī)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，設(shè)備長期與頂板巖層摩擦，極易造成截割頭等零件的損壞，降低了工作效率。 基于煤巖識別的自適應(yīng)調(diào)整通過設(shè)備運(yùn)行過程中的油缸壓力信號、電機(jī)電流以及能量加權(quán)等參數(shù)，第一時間判斷設(shè)備的運(yùn)行屬性，適應(yīng)煤巖的變化，在確保安全高效運(yùn)行的同時，提高了設(shè)備的使用壽命，降低了設(shè)備損壞維修費(fèi)用和時間周期，從本質(zhì)上實(shí)現(xiàn)了自動控制。

4 結(jié)語

采煤機(jī)自適應(yīng)修正控制策略是根據(jù)采煤機(jī)截割過程中頂?shù)装鍘r性及煤層條件的變化對截割過程的影響，采用截割狀態(tài)識別方法，對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)的優(yōu)化處理，完成運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置，基于自適應(yīng)修正控制策略，以采煤機(jī)滾筒為例，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行高度和運(yùn)行速度的自動調(diào)控，保證設(shè)備高效運(yùn)行的同時，實(shí)現(xiàn)了高效安全生產(chǎn)。