采煤機(jī)記憶截割自動(dòng)化控制工作原理

朱良嘉，王文平

(陜西雙龍煤業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司，陜西 延安 727306)

0 引言

隨著煤炭行業(yè)的快速發(fā)展，綠色礦山、智慧礦山成為我國(guó)煤炭發(fā)展的主要方向[1-3]。為了減少工作面人員數(shù)量，降低職工工作強(qiáng)度，堅(jiān)持“少人則安，無人則安”的安全理念，智能化綜采技術(shù)近幾年被廣泛應(yīng)用。智能化綜采技術(shù)主要包括采煤機(jī)自動(dòng)化、液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化、視頻跟機(jī)自動(dòng)化、三機(jī)、膠帶機(jī)、集成供液系統(tǒng)“一鍵”啟停、遠(yuǎn)程干預(yù)和集中監(jiān)測(cè)等功能[4-6]。以采煤機(jī)記憶截割為主，液壓支架與刮板運(yùn)輸機(jī)配合，視頻系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控，采煤機(jī)司機(jī)遠(yuǎn)程修正，實(shí)現(xiàn)智能化開采。由此可見采煤機(jī)記憶截割自動(dòng)化控制技術(shù)是智能化綜采技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵之一，因此對(duì)記憶截割自動(dòng)化控制技術(shù)進(jìn)行探索研究，有助于實(shí)現(xiàn)真正意義上的無人化開采。

1 采煤機(jī)記憶截割自動(dòng)化控制應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，智能化綜采技術(shù)在國(guó)內(nèi)屬于探索使用階段，部分礦井已經(jīng)取得一定成果。其中最具有代表的綜采智能化項(xiàng)目為黃陵礦業(yè)一號(hào)煤礦，其采煤技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)記憶截割和遠(yuǎn)程控制、液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化、故障診斷等一系列功能。采煤機(jī)記憶截割控制技術(shù)，主要是通過記錄存儲(chǔ)采煤機(jī)在工作面行走過程中采高、臥底和煤機(jī)位置，并通過修正形成的一套程序，在下一個(gè)循環(huán)刀過程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)截割[7-9]。雖然煤巖識(shí)別技術(shù)可以從根本改變智能化綜采技術(shù)運(yùn)行模式，但目前還處于理論探索階段。記憶截割技術(shù)應(yīng)用相對(duì)廣泛，可以節(jié)省部分人力成本，改善員工工作環(huán)境，提高安全系數(shù)。對(duì)于工作面賦存厚度低，起伏變化小，夾矸量小的煤層條件，記憶截割技術(shù)可以發(fā)揮其自身的優(yōu)點(diǎn)。但煤層傾角大，地質(zhì)條件復(fù)雜的工作面，記憶割煤技術(shù)尚有不足。另外，工作面煤塵、瞬間起伏、支架刮板運(yùn)輸機(jī)聯(lián)動(dòng)等一系列因素，都會(huì)對(duì)記憶割煤技術(shù)產(chǎn)生影響[10-12]。

2 采煤機(jī)記憶截割工作原理

采煤機(jī)記憶截割，主要是采集采高、臥底、位置3個(gè)數(shù)據(jù)。采高和臥底通過在搖臂上安裝位移傳感器采集，位置數(shù)據(jù)通過編碼器采集。原理是采煤機(jī)司機(jī)操作采煤機(jī)進(jìn)行一個(gè)循環(huán)刀的截割學(xué)習(xí)，在行走過程中采煤機(jī)PLC控制器記錄采煤機(jī)采高、臥底和位置數(shù)據(jù)，再對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，依據(jù)人工免疫法篩選合適的數(shù)據(jù)，剔除錯(cuò)誤的參數(shù)，經(jīng)過修復(fù)后形成示范刀指導(dǎo)采煤機(jī)下一個(gè)循環(huán)刀。為此，以MG-500/1140-WD型采煤機(jī)為例，介紹采煤機(jī)記憶割煤控制系統(tǒng)工作原理。

2.1 采煤機(jī)記憶截割工藝

所舉的案例中，綜采工作面為右工作面，采煤機(jī)前滾筒割頂煤，后滾筒割底煤，行走方向?yàn)閺淖蠖祟^至右端頭。當(dāng)采煤機(jī)從左端頭進(jìn)刀，直到工作面割通，然后退回到設(shè)定位置，進(jìn)行清浮煤，采煤機(jī)再次退回到另一個(gè)設(shè)定位置，觸發(fā)支架動(dòng)作推動(dòng)刮板運(yùn)輸機(jī)形成蛇形段，采煤機(jī)再次進(jìn)刀并割通，整體完成采煤機(jī)中部割煤技術(shù)和三角煤工藝。下一刀按照同樣原理完成形成示范刀。整個(gè)過程采煤機(jī)設(shè)定分為22象限，通過對(duì)象限設(shè)定和參數(shù)的修改，并與液壓支架控制系統(tǒng)程序配合，完成采煤機(jī)記憶割煤。

2.2 采煤機(jī)記憶截割數(shù)據(jù)采集

采煤機(jī)位置數(shù)據(jù)：采煤機(jī)記憶截割數(shù)據(jù)采集包含存儲(chǔ)量、存儲(chǔ)方式及數(shù)據(jù)處理。為清楚分析，以二維標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)為數(shù)學(xué)模型，X坐標(biāo)為采煤機(jī)位置信息，Y坐標(biāo)記錄采高和臥底數(shù)據(jù)。采煤機(jī)自動(dòng)化截割實(shí)現(xiàn)，煤機(jī)位置監(jiān)測(cè)裝置是關(guān)鍵之一，影響記憶截割的準(zhǔn)確性。采煤機(jī)通過編碼器記錄采煤機(jī)準(zhǔn)確位置。當(dāng)采煤機(jī)行走過程中，以左端頭為0點(diǎn)，右端頭235.5 m為終點(diǎn)(工作面切眼長(zhǎng)度235.5 m)，記錄采煤機(jī)的行走過程中每一個(gè)位置。

自動(dòng)調(diào)高技術(shù)：采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高技術(shù)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。通過一系列實(shí)踐，在采煤機(jī)搖臂上安裝帶有位移傳感器的油缸是最為可靠有效的方法，解決了采煤機(jī)震動(dòng)環(huán)境因素影響而造成的數(shù)據(jù)誤差。位移傳感器工作原理是磁環(huán)與導(dǎo)管產(chǎn)生一個(gè)縱向磁場(chǎng)，當(dāng)電流脈沖信號(hào)由傳感器電子端送出后，并通過導(dǎo)管時(shí)，第2個(gè)磁場(chǎng)便由導(dǎo)管的徑向方向產(chǎn)生。2個(gè)磁場(chǎng)相交瞬間，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖信號(hào)，然后從產(chǎn)生點(diǎn)返回傳感器電子端并被檢測(cè)出來，通過信號(hào)往返可快速、精確的計(jì)算出磁環(huán)的準(zhǔn)確位置。傳感器實(shí)際測(cè)量范圍為0～900 mm，輸出信號(hào)為4～20 mA，對(duì)應(yīng)的模擬量與數(shù)字量轉(zhuǎn)換，計(jì)算出油缸實(shí)際伸縮量，并通過搖臂抬高角度進(jìn)而確定出采高和臥底。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系建立

采煤機(jī)離散點(diǎn)坐標(biāo)：采煤機(jī)以工作面左端頭為X坐標(biāo)，0為參考點(diǎn)，右端頭為終點(diǎn)，采煤機(jī)前后滾筒截割高度為Y軸，形成3個(gè)數(shù)據(jù)的坐標(biāo)曲線點(diǎn)參數(shù)：前滾筒采高H1、后滾筒采高H2、位置坐標(biāo)L1，采煤機(jī)從右向左截割，以前滾筒剛進(jìn)煤壁時(shí)煤機(jī)機(jī)身中點(diǎn)為0點(diǎn)，一刀煤割通后為終點(diǎn)。當(dāng)采煤機(jī)在工作面行走時(shí)，可以繪制2條曲線，一條為采高曲線，另一條為臥底曲線。采高曲線數(shù)據(jù)始終由前滾筒所得，臥底曲線數(shù)據(jù)由后滾筒提供。假如將采煤機(jī)看為一個(gè)點(diǎn)，X軸上坐標(biāo)分別為0～235.5 m，Y軸上采高點(diǎn)H1和臥底點(diǎn)H2,并依次可得到采煤機(jī)離散點(diǎn)坐標(biāo)，如圖1所示。

圖1 采煤機(jī)離散點(diǎn)坐標(biāo)

建立數(shù)據(jù)框架：進(jìn)行來回刀的數(shù)據(jù)采集，得到采高數(shù)據(jù)、臥底數(shù)據(jù)和采煤機(jī)位置，如何將這些信息存儲(chǔ)以及建立數(shù)據(jù)框架，是實(shí)現(xiàn)控制器運(yùn)行自動(dòng)截割程序的關(guān)鍵。該采煤機(jī)使用歐姆龍PLC控制器，存儲(chǔ)空間為D1000-D20000，存儲(chǔ)前滾筒采高數(shù)據(jù)、后滾筒臥底數(shù)據(jù)及煤機(jī)位置，共2刀數(shù)據(jù)。因此采高數(shù)據(jù)分配3 000個(gè)，臥底3 000個(gè)，位置3 000個(gè)。X軸采樣點(diǎn)間距為8 cm，所以得到Y(jié)軸采高離散點(diǎn)坐標(biāo)為

Y軸臥底離散點(diǎn)坐標(biāo)為

X軸位置離散點(diǎn)為

3 基于人工免疫法的采高記憶策略

采煤機(jī)記憶截割技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，主要依據(jù)采高與臥底數(shù)據(jù)，在繪制的曲線中，受煤機(jī)震動(dòng)、電磁干擾以及其他因素影響，采高與臥底數(shù)據(jù)突然增大或減小，影響了采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，關(guān)系到記憶割煤的整體實(shí)現(xiàn)。如何篩選出準(zhǔn)確有效的采樣點(diǎn)，選擇一個(gè)合適的樣點(diǎn)填充，需要人工免疫理論進(jìn)行選擇。

3.1 人工免疫法理論

人工免疫法作為人工智能領(lǐng)域的重要分支，是目前智能信息處理的重要手段，它通過類似于生物免疫系統(tǒng)的機(jī)能，構(gòu)造具有動(dòng)態(tài)性和自適應(yīng)性的信息防御體系，以此來抵制外部無用、有害信息的侵入，從而保證接受信息的有效性與無害性[13-14]。人工免疫法根據(jù)自然免疫系統(tǒng)分為以下4個(gè)方面。

免疫識(shí)別：核心功能是區(qū)分本體和非本體，根據(jù)對(duì)系統(tǒng)對(duì)象的識(shí)別進(jìn)行編碼儲(chǔ)存，定義一個(gè)集合的范圍，生產(chǎn)一個(gè)檢測(cè)器。

免疫記憶：當(dāng)免疫系統(tǒng)遇見新抗原時(shí)，淋巴細(xì)胞為了更準(zhǔn)確的識(shí)別抗原，需要一定時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，在識(shí)別后以最優(yōu)的抗體形式保留對(duì)抗原的記憶信息，當(dāng)免疫系統(tǒng)再次遇見相同或相近抗原時(shí)，在聯(lián)想記憶的作用下，可迅速反應(yīng)。

親和力計(jì)算：親和力計(jì)算主要是計(jì)算抗體和抗原支架的親和力，是免疫算法中最復(fù)雜的一種計(jì)算，同時(shí)也是一項(xiàng)重要的判斷標(biāo)準(zhǔn)。由于產(chǎn)生的抗體與克隆類型的抗體分子獨(dú)特性是相同的，抗體與抗原的親和力是抗體與抗原親和力的測(cè)量。

免疫克隆：當(dāng)淋巴細(xì)胞實(shí)現(xiàn)對(duì)抗原的識(shí)別后，B細(xì)胞被激活并增值復(fù)制產(chǎn)生克隆B細(xì)胞，隨后經(jīng)編譯產(chǎn)生對(duì)抗原具有特異性的抗體。

3.2 基于人工免疫采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)修正

人工免疫理論與自動(dòng)記憶截割系統(tǒng)的對(duì)照：人工免疫法具有適應(yīng)學(xué)習(xí)、記憶獲取、多樣性生成和分布式監(jiān)測(cè)的能力。根據(jù)人工免疫法理論，采煤機(jī)PLC采集的樣點(diǎn)，其中有少數(shù)樣點(diǎn)是不可參考的，即對(duì)應(yīng)抗原，可以剔除記憶割煤中的嚴(yán)重偏離的采樣點(diǎn)，填充合適的樣點(diǎn)，完善記憶割煤的示范刀參數(shù)采集。其功能名稱對(duì)照見表1。

表1 功能名稱對(duì)照

當(dāng)前后兩值進(jìn)行比較時(shí)，如果數(shù)值超過閾值，則證明此值為非正常采高點(diǎn)，具體情況中閾值多少合適，可在采煤程序中設(shè)置“調(diào)高最大誤差”，得到一個(gè)相應(yīng)的采高集結(jié)點(diǎn)的親和集。當(dāng)連續(xù)2個(gè)數(shù)值出現(xiàn)較大偏差，則判斷為非正常采樣點(diǎn)。

如果出現(xiàn)多個(gè)點(diǎn)誤差，本次示范刀采集數(shù)據(jù)無效，需重新學(xué)習(xí)并采集數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)記憶截割系統(tǒng)是以采煤機(jī)位移傳感器、編碼器、PLC控制器等精確測(cè)量在行走過程中的數(shù)據(jù)為根基，建立坐標(biāo)系。利用人工免疫法篩選剔除偏離數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)可靠、有效的示范刀數(shù)據(jù)庫(kù)，提高采煤機(jī)記憶割煤的可行率；在工作面煤層變化情況下，可以通過監(jiān)控中心遠(yuǎn)程干預(yù)調(diào)整，能夠?yàn)橹悄芑V井建設(shè)提供可靠保證。