基于AI 技術(shù)的采煤機(jī)運(yùn)輸機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速應(yīng)用

（神東煤炭集團(tuán)錦界煤礦，陜西 神木 719300）

煤礦是耗能大戶，能源消耗在煤礦建設(shè)、生產(chǎn)過程中占有相當(dāng)重要的位置，而我國人口眾多，能源和其它自然資源相對嚴(yán)重短缺，能源的合理節(jié)約使用不僅是一個經(jīng)濟(jì)問題，而且已成為重要的戰(zhàn)略問題，因此在煤礦建設(shè)、生產(chǎn)過程中節(jié)約能源消耗，有效地利用能源，不僅是解決短期能源供應(yīng)短缺的必要選擇，更是為我國建設(shè)全面小康社會，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化提供能源保障的長期戰(zhàn)略選擇。

目前國際上還不具有成熟的綜采工作面集控系統(tǒng)各子系統(tǒng)之間信息交互融合，互聯(lián)互通的成功使用案例，煤礦節(jié)能降耗就是在煤礦建設(shè)和生產(chǎn)過程中，依靠科技進(jìn)步，根據(jù)具體的地質(zhì)、采礦條件，從企業(yè)的實(shí)際情況、自身效益和環(huán)境效益的長遠(yuǎn)潛力出發(fā)，利用人工智能技術(shù)、新工藝、新裝備，挖掘潛能、規(guī)范管理等方式，達(dá)到較為顯著的節(jié)能效果。目前井下在用工作面運(yùn)輸機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)都采用變頻器驅(qū)動，從變頻器具有變頻器具有啟動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬、調(diào)速靈活的優(yōu)點(diǎn)，但目前在使用時，三機(jī)的轉(zhuǎn)速都設(shè)置為定值，變頻器僅僅起到軟啟動器的作用，變頻器主要的調(diào)速、節(jié)能降耗的優(yōu)點(diǎn)沒有充分利用。采煤機(jī)雖采用變頻驅(qū)動，但都是根據(jù)煤機(jī)司機(jī)經(jīng)驗(yàn)操作，工作面集控各子系統(tǒng)之間缺少互相滲透交融，互聯(lián)互通，整體效率有待進(jìn)一步提升，在此內(nèi)外環(huán)境下，本文介紹一種基于AI 技術(shù)的采煤機(jī)和運(yùn)輸三機(jī)之間的雙閉環(huán)調(diào)速設(shè)計使用案例，在神東錦界煤礦已得到使用驗(yàn)證。

一、雙閉環(huán)調(diào)速設(shè)計介紹

（一）原理說明

實(shí)現(xiàn)三機(jī)自動調(diào)速需要采集運(yùn)輸機(jī)轉(zhuǎn)載機(jī)負(fù)荷量及相互之間運(yùn)行工藝，直接的方法是安裝煤流量傳感器，根據(jù)煤流量的大小調(diào)節(jié)運(yùn)輸機(jī)轉(zhuǎn)載機(jī)運(yùn)行速度。目前煤流量傳感器的種類很多，常用的是連續(xù)稱重式、視頻識別、激光斷面掃描等，但都存在故障率較高、價格昂貴等缺點(diǎn)，許多單位經(jīng)過多年探索實(shí)踐，仍然無法克服其缺點(diǎn)，因此煤流量傳感器沒有得到推廣應(yīng)用。采煤機(jī)電牽引主要依據(jù)算法實(shí)現(xiàn)截割牽引負(fù)反饋控制，和運(yùn)輸機(jī)無相互制約，受人工控制。根據(jù)我礦多年合作積累的自動化割煤技術(shù)、綜采工作面集控技術(shù)，探索了根據(jù)采煤機(jī)狀態(tài)、利用人工智能算法來實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)運(yùn)輸三機(jī)自動調(diào)速控制。該方法不需要使用煤流量傳感器，不僅完全克服了煤流量傳感器故障率高的缺點(diǎn)，還大大簡化了系統(tǒng)，降低成本，提高了系統(tǒng)可靠性。

通常情況下，采煤機(jī)距離機(jī)頭越遠(yuǎn)、采煤機(jī)截割電流越大、牽引速度越快，刮板機(jī)上的煤越多，反之煤少。根據(jù)這個原理，刮板機(jī)速度為采煤機(jī)位置、截割電流、牽引速度的函數(shù)，建立該函數(shù)，可以推算出煤流量。因此，三機(jī)速度為：

其中，函數(shù)f為基于人工智能、自學(xué)習(xí)算法的煤流量估算算法。

算出三機(jī)的速度給定值后，將該數(shù)值發(fā)給變頻器，由變頻器控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)三機(jī)調(diào)速。集控系統(tǒng)獲得三機(jī)的速度、電流值后，可以根據(jù)三機(jī)的負(fù)載情況再控制采煤機(jī)的牽引速度，形成閉環(huán)，防止三機(jī)過載、防壓死。工作面集控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了采掘、運(yùn)輸一體化控制，提高了自動化水平，降低了能耗。

（二）功能介紹

本文敘述的基于人工智能采煤機(jī)、運(yùn)輸機(jī)的雙閉環(huán)調(diào)速設(shè)計主要目的是改善現(xiàn)有設(shè)備控制方式，在機(jī)械設(shè)備性能指標(biāo)范圍內(nèi)充分挖掘設(shè)備潛能、減少無功功耗、根據(jù)負(fù)載需求動態(tài)調(diào)節(jié)輸出，有效提高設(shè)備利用率、降低設(shè)備機(jī)械損耗，減少水資源浪費(fèi)，節(jié)約電能，達(dá)到節(jié)能減排增效目的。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

1.運(yùn)輸機(jī)速度雙閉環(huán)控制：

（1）當(dāng)采煤機(jī)在工作面生產(chǎn)割煤時如果停止?fàn)恳瑒t運(yùn)輸機(jī)將刮板上煤塊拉空后控制運(yùn)輸機(jī)減速，以最低能耗運(yùn)行，當(dāng)煤機(jī)再次割煤時運(yùn)輸機(jī)立即加速，以適應(yīng)正常采煤需求。

（2）運(yùn)輸機(jī)根據(jù)變頻三機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流、采煤機(jī)的牽引速度、牽引電流、截割電流、采煤機(jī)的位置，計算出運(yùn)輸機(jī)的負(fù)荷率，在運(yùn)輸機(jī)性能滿足條件下跟隨采煤機(jī)速度動態(tài)調(diào)節(jié)，以適應(yīng)采煤機(jī)速度。

（3）根據(jù)采煤機(jī)自動化割煤工藝過程進(jìn)行運(yùn)輸機(jī)速度動態(tài)調(diào)節(jié)，兩側(cè)三角區(qū)域降低運(yùn)輸機(jī)速度，確保合理的速度區(qū)間滿足運(yùn)輸要求。

2.采煤機(jī)牽引速度雙閉環(huán)控制：

（1）采煤機(jī)根據(jù)左右截割和牽引電流進(jìn)行閉環(huán)調(diào)速控制，當(dāng)采煤機(jī)截割電流過大，反饋控制系統(tǒng)觸發(fā)牽引減速，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)牽引速度閉環(huán)調(diào)節(jié)。

（2）當(dāng)運(yùn)輸機(jī)或轉(zhuǎn)載機(jī)達(dá)到性能上限（過載）時，集中控制系統(tǒng)實(shí)時采集采煤機(jī)速度，當(dāng)煤機(jī)牽引速度較快，則控制采煤機(jī)立即減速，以適應(yīng)運(yùn)輸機(jī)運(yùn)載能力。

（3）采煤機(jī)根據(jù)自動化割煤工藝，在不同工步、不同位置下動態(tài)調(diào)節(jié)牽引速度，兩側(cè)三角煤區(qū)域提高牽引速度，充分挖掘設(shè)備利用率。

系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)在于：

1.子系統(tǒng)互相之間信息共享融合，互聯(lián)互通，一體化控制。

2.機(jī)電設(shè)備管理規(guī)范，設(shè)備潛能充分挖掘，避免資源浪費(fèi)，節(jié)約能耗，改善煤質(zhì)。

3.參數(shù)設(shè)定好之后各子系統(tǒng)自動控制，不受外部因素限制。

4.改善井下工人勞動強(qiáng)度，改善作業(yè)環(huán)境。

二、現(xiàn)場驗(yàn)證

（一）煤用電量對比

國家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)錦界煤礦綜采三隊31213 工作面自2019 年5月18 日投入使用該套設(shè)備，此調(diào)速功能至8 月18 日開始使用，以5、6、7月與9、10、11 月對比得出噸煤節(jié)約 0.47 度，節(jié)約電費(fèi)0.26 元。其中8 月份環(huán)比下降2.6 %。為實(shí)現(xiàn)錦界煤礦數(shù)字化礦山完善和響應(yīng)國家能源集團(tuán)提出的節(jié)能降資號召做出一定貢獻(xiàn)。（表1 數(shù)據(jù)來源于錦界煤礦機(jī)電科數(shù)據(jù)統(tǒng)計）

表1 錦界煤礦31213 綜采工作面5-11 月用電情況統(tǒng)計表

（二）設(shè)備磨損情況改善

自該調(diào)速功能投入使用后，基于自動控制設(shè)備無功運(yùn)轉(zhuǎn)情況減少，有效的保護(hù)了設(shè)備的使用壽命，同時該系統(tǒng)有效的避免了人為誤開忘停刮板運(yùn)輸機(jī)和裝載機(jī)的情況，9、10、11 月與5、6、7 月相比，錦界煤礦31213 綜采工作面故障影響次數(shù)下降4 次，故障率下降4.62%。對31213 工作面設(shè)備起到了良好的保護(hù)作用。（表2 數(shù)據(jù)源于錦界煤礦機(jī)電科故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)）

表2 錦界煤礦31213 綜采工作面5-11 月故障統(tǒng)計表

三、結(jié)論

1.基于人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)的采煤機(jī)運(yùn)輸三機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速功能的應(yīng)用在節(jié)能降耗方面應(yīng)用表現(xiàn)顯著。

2.通過此套系統(tǒng)的應(yīng)用對機(jī)電設(shè)備的使用管理更加規(guī)范，減少設(shè)備無用磨損，提高機(jī)電設(shè)備穩(wěn)定性，提高整個采掘系統(tǒng)平均無故障時間。

3.系統(tǒng)功能及穩(wěn)定性驗(yàn)證，證實(shí)工作面集控系統(tǒng)各子系統(tǒng)之間的信息交互融合，互聯(lián)互通。

4.通過應(yīng)用展示了系統(tǒng)對人工要求的降低，改善工人勞動環(huán)境，減少勞動強(qiáng)度。

5.通過錦界31213 工作面使用，驗(yàn)證此功能技術(shù)的拓展性，具備延伸到皮帶控制的技術(shù)條件，實(shí)現(xiàn)整個煤流的智能控制，助力智慧礦山邁進(jìn)。