自動化采煤控制系統(tǒng)設(shè)計

耿澤昕，　宋建成，　許春雨，　田慕琴，　于亞運，　付峻青，　徐建斌

(1.太原理工大學 煤礦電氣設(shè)備與智能控制山西省重點實驗室， 山西 太原　030024；

2.山西晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責任公司 技術(shù)研究院有限責任公司， 山西 晉城　048006；

3.山西晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責任公司 成莊煤礦， 山西 晉城　048006)

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自動化采煤控制系統(tǒng)設(shè)計

耿澤昕1，宋建成1，許春雨1，田慕琴1，于亞運1，付峻青2，徐建斌3

(1.太原理工大學 煤礦電氣設(shè)備與智能控制山西省重點實驗室， 山西 太原030024；

2.山西晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責任公司 技術(shù)研究院有限責任公司， 山西 晉城048006；

3.山西晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責任公司 成莊煤礦， 山西 晉城048006)

摘要：針對目前國內(nèi)綜采工作面自動化程度低的問題，提出了一種自動化采煤控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案，重點闡述了該系統(tǒng)自動化采煤控制工藝及其實現(xiàn)方案。該系統(tǒng)采用RS485雙總線通信模式，通過支架控制器將采煤機位置、液壓支架狀態(tài)等參數(shù)實時上傳至端頭服務(wù)器，端頭服務(wù)器將參數(shù)上傳至集控計算機進行顯示，集控計算機通過端頭服務(wù)器向支架控制器發(fā)送控制命令，完成對液壓支架動作的雙閉環(huán)控制，同時集控計算機向采煤機控制器發(fā)送控制命令，自動控制采煤機搖臂高度，從而實現(xiàn)工作面自動化采煤。

關(guān)鍵詞：自動化采煤； 采煤機； 液壓支架； 雙閉環(huán)控制

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160405.0850.003.html

0引言

隨著綜采技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)綜采工作面越來越長，對自動化技術(shù)要求越來越高，但對相應設(shè)備的控制相對落后。對于液壓支架，大多采用簡單的鄰架和成組移架操作，支架的移動速度嚴重落后采煤機的割煤速度。目前，煤礦投入運行的液壓支架電液控制系統(tǒng)越來越多，但受煤礦地質(zhì)條件的限制，實際運行過程并沒有達到理想的少人化或無人化程度；大多數(shù)系統(tǒng)只是將原先的手動操作桿換成了電液控制器，煤礦自動化生產(chǎn)并沒有從根本上得到改變[1-2]。對于采煤機的自動控制，目前多采用煤巖界面自動識別技術(shù)，通過識別煤層與頂板間的顏色、形狀、光澤等基本特征，將煤層與頂板進行分離，但在實際應用中具有一定的局限性。

本文設(shè)計了一種自動化采煤控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為基礎(chǔ)，以電液控制為核心，采用閉環(huán)控制模式，集成紅外遙測和傳感技術(shù)，通過集控計算機、端頭服務(wù)器、支架控制器、采煤機控制器之間的通信實現(xiàn)自動化采煤作業(yè)。

1系統(tǒng)總體方案

自動化采煤控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。采煤機控制器接收集控計算機下發(fā)的命令，通過電液伺服閥控制采煤機搖臂伸縮油缸，進而控制搖臂的高度。支架控制器和端頭服務(wù)器采用RS485雙總線模式進行通信[3-5]，其中一路對支架控制器進行巡檢，另一路對支架控制器發(fā)送控制命令，控制液壓支架動作，配合行進中的采煤機完成自動化作業(yè)。支架控制器可以實時采集液壓支架壓力、位移等參數(shù)，并通過紅外接收模塊配合采煤機上的紅外發(fā)射裝置，確定采煤機位置。支架控制器將采煤機位置、液壓支架狀態(tài)等參數(shù)實時上傳到端頭服務(wù)器，端頭服務(wù)器將這些參數(shù)上傳到集控計算機實時顯示。集控計算機根據(jù)這些參數(shù)，將控制工藝發(fā)送到端頭服務(wù)器，端頭服務(wù)器向特定編號的支架控制器發(fā)送控制命令，支架控制器通過電磁閥驅(qū)動模塊控制液壓支架動作，實現(xiàn)液壓支架的自動控制。自動控制要求支架控制器根據(jù)采煤機在綜采工作面運行的實時位置控制液壓支架,使其完成相應的支護動作，為采煤機回采提供運行軌道[6]。

圖1　自動化采煤控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2自動化采煤控制工藝

為實現(xiàn)安全、高效采煤作業(yè)，自動化采煤必須依靠具體的控制工藝，本文根據(jù)某煤礦綜采工作面的生產(chǎn)要求，制定了16個控制工藝段，主要包括中間段割煤、刮板輸送機機頭斜切進刀、刮板輸送機機頭割三角煤、刮板輸送機機尾斜切進刀、刮板輸送機機尾割三角煤等。液壓支架和采煤機在不同的工藝段以不同方式配合，實現(xiàn)煤層的自動化開采。

根據(jù)煤層三維模型可確定整個工作面的長度、寬度、采高和傾角。搖臂長度(滾筒中心與搖臂耳座孔中心之間的距離)、采煤機運行速度、液壓支架數(shù)量、液壓支架寬度等數(shù)據(jù)確定后，以工作面刮板輸送機機頭為起點，建立采煤機和液壓支架運動模型，采煤機和液壓支架運行的每一個點都可用液壓支架推溜累計位移x和液壓支架編號y來確定，即有唯一確定的坐標(x，y)。該坐標處煤層的采高、推移行程都可唯一確定，得出采煤機運行數(shù)據(jù)庫和液壓支架運行數(shù)據(jù)庫。

2.1采煤機自動控制工藝

在采煤機運行過程中，集控計算機根據(jù)液壓支架推溜累計位移x及采集到采煤機位置信息的液壓支架編號y確定采煤機所處位置，通過檢索采煤機運行數(shù)據(jù)庫確定煤層的采高，計算得出采煤機搖臂需要調(diào)整的高度，達到自動控制采煤機搖臂高度的目的。

2.2液壓支架自動控制工藝

在液壓支架運行過程中，集控計算機接收端頭服務(wù)器通過巡檢支架控制器得到的采煤機位置，并檢索液壓支架運行數(shù)據(jù)庫得出液壓支架運行的動作、參數(shù)，通過端頭服務(wù)器將控制命令下發(fā)給支架控制器，由支架控制器控制液壓支架完成相關(guān)動作。

控制命令格式如圖2所示。控制命令包括：支架編號，即動作支架的編號；動作代碼，代表液壓支架的動作；推溜行程和拉架行程，分別代表液壓支架在推溜、拉架過程的位移；初撐壓力，即液壓支架在升架中觸碰到頂板時的壓力，達到此壓力時液壓支架應該停止升架；極限時間，即液壓支架運行的最大時間。

圖2控制命令格式

液壓支架動作雙閉環(huán)控制如圖3所示。設(shè)置在支架控制器上的壓力傳感器和行程傳感器實時檢測液壓支架的動作。在推溜過程中達到控制命令中的推溜行程以及升架過程中達到控制命令中的初撐壓力，液壓支架停止動作；液壓支架運行到極限時間，支架控制器發(fā)出停止命令，液壓支架停止動作。這樣可防止液壓支架過度動作造成工作面設(shè)備或頂板損壞。液壓支架運行結(jié)束后，支架控制器采集液壓支架當前推溜行程和立柱壓力并反饋至端頭服務(wù)器，端頭服務(wù)器判斷實際推溜行程和立柱壓力是否達到控制命令中的推溜行程和初撐壓力，若達到則向支架控制器發(fā)送下一個工藝段的控制命令，反之，則通過支架控制器控制未達到動作的液壓支架進行動作糾正。

圖3　液壓支架動作雙閉環(huán)控制

在液壓支架自動控制過程中，液壓支架可能受到煤層阻力或設(shè)備阻礙，若經(jīng)過3次控制還沒有達到規(guī)定的動作，端頭服務(wù)器則認為液壓支架存在故障，發(fā)出報警并上傳集控計算機，提醒工人進行人工處理。

3自動化采煤控制工藝實現(xiàn)

根據(jù)自動化采煤控制的需求，定義以下5個控制參數(shù)：滯后采煤機小循環(huán)(降架-拉架-升架)安全區(qū)域m；滯后采煤機推溜安全區(qū)域q；護幫板動作(包括二級護幫板伸/收、一級護幫板伸/收、伸縮梁伸/收)安全區(qū)域c；彎曲段長度k；采煤機長度d。這些參數(shù)均以單個液壓支架寬度為單位，表示占多少個液壓支架寬度。此外，還需定義一些定位參數(shù)：采煤機中心位置處液壓支架編號P；刮板輸送機機頭彎曲段起始液壓支架編號E；刮板輸送機機尾彎曲段起始液壓支架編號F；采煤機運行方向H，H=1表示采煤機由刮板輸送機機頭向刮板輸送機機尾運行，H=-1表示采煤機由刮板輸送機機尾向刮板輸送機機頭運行。

根據(jù)某煤礦綜采工作面的生產(chǎn)要求和實際情況，設(shè)置參數(shù)：m=8，q=12，c=6，k=10，d=11，E=22,F=98。以中間段割煤、刮板輸送機機尾斜切進刀和刮板輸送機機尾割三角煤3個工藝段為例，說明自動化采煤控制過程。

(1) 中間段割煤(左行)。假設(shè)采煤機從工作面中間61號液壓支架處開始向左割煤，采煤機在采煤機控制器的控制下自動調(diào)整搖臂高度，完成割煤。考慮到安全因素，采煤機前滾筒只能行進到2號液壓支架處，此時機身中心位于8號液壓支架處，即采煤機從61號液壓支架處開始割煤，運行到8號液壓支架處停止(8≤P≤61)。超前采煤機且坐標為(x，P-c)的支架控制器接收端頭服務(wù)器的護幫板控制命令后，開始收護幫板及收伸縮梁動作；滯后采煤機且坐標為(x，P+m)的支架控制器接收端頭服務(wù)器的小循環(huán)控制命令后，液壓支架降架，當立柱壓力小于5 MPa時，認為液壓支架已脫離頂板，開始拉架，當拉架位移等于控制命令中的拉架行程，停止拉架并開始升架，當立柱壓力達到控制命令中的初撐壓力時，停止升架，完成小循環(huán)；滯后采煤機且坐標為(x，P+q)的支架控制器接收端頭服務(wù)器的推溜控制命令后，液壓支架進行推溜，當推溜位移等于控制命令中的推溜行程時，停止推溜；滯后采煤機且坐標為(x，P+c)的支架控制器接收端頭服務(wù)器的護幫板控制命令后，控制液壓支架進行伸護幫板及伸伸縮梁動作。中間段割煤(左行)如圖4所示。

(2) 刮板輸送機機尾斜切進刀(右行)。經(jīng)過2次刮板輸送機機尾掃底刀后，采煤機位于112號液壓支架處，為保證可靠的斜切進刀，采煤機需運行到92號液壓支架處，即在此工藝段采煤機從112號液壓支架處運行到92號液壓支架處。從98號液壓支架到108號液壓支架，由支架控制器通過行程傳感器控制推溜，推溜位移為(n-98)/10 m(n=98，99，…，108)，形成彎曲段。滯后采煤機m個液壓支架寬度距離的液壓支架進行小循環(huán)；滯后采煤機q個液壓支架寬度距離的液壓支架進行推溜，并在彎曲段內(nèi)進行斜切進刀。在此工藝段，支架控制器對護幫板和伸縮梁動作與中間段割煤類似。刮板輸送機機尾斜切進刀(右行)如圖5所示。

圖4　中間段割煤

(3) 刮板輸送機機尾割三角煤(左行)。采煤機向左割三角煤，端頭服務(wù)器不對支架控制器發(fā)送命令，液壓支架不進行任何動作，完成三角煤的切割。刮板輸送機機尾割三角煤(左行)如圖6所示。

圖5　刮板輸送機機尾斜切進刀

圖6　刮板輸送機機尾割三角煤

4結(jié)論

(1) 設(shè)計了一套自動化采煤控制系統(tǒng)，結(jié)合自動化采煤控制工藝，實現(xiàn)了自動控制采煤機搖臂高度和液壓支架動作，提高了采煤過程的自動化水平。

(2) 提出了一種液壓支架動作雙閉環(huán)控制模式。支架控制器通過傳感器檢測液壓支架動作并反饋至端頭服務(wù)器，端頭服務(wù)器分析并判斷液壓支架動作情況，發(fā)送控制命令至支架控制器，由支架控制器精確控制液壓支架動作。

參考文獻：

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Design of automatic coal mining control system

GENG Zexin1,SONG Jiancheng1,XU Chunyu1,TIAN Muqin1,YU Yayun1,

FU Junqing2,XU Jianbin3

(1.Shanxi Key Laboratory of Mining Electrical Equipment and Intelligent Control, Taiyuan University of

Technology, Taiyuan 030024, China; 2.Technology Research Institute Co., Ltd., Shanxi Jincheng

Anthracite Mining Group Co., Ltd., Jincheng 048006, China; 3.Chengzhuang Coal Mine, Shanxi

Jincheng Anthracite Mining Group Co., Ltd., Jincheng 048006, China)

Abstract:For problem of low automation degree of current fully-mechanized coal mining face, a design scheme of automatic coal mining control system was proposed, and realization scheme of automatic coal mining control technology of the system was expounded. The system adopts communication mode of dual RS485 buses to upload parameters including position of shearer and status of hydraulic support real-timely to terminal controller through support controller. Centralized control computer displays the parameters from the terminal controller. The centralized control computer sends control command to the support controller through the terminal controller in order to realize double closed-loop control of hydraulic support, and also sends control command to shearer controller in order to control ranging arm height of shearer, so as to realize automatic coal mining.

Key words:automatic coal mining; shearer; hydraulic support; double closed-loop control

中圖分類號：TD632/67

文獻標志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-04-05 08:50

文章編號：1671-251X(2016)04-0011-04

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.04.003

耿澤昕，宋建成，許春雨，等.自動化采煤控制系統(tǒng)設(shè)計[J].工礦自動化，2016,42(4)：11-14.