采煤機記憶截割控制系統的研究與設計

韻 凱

（西山煤電（集團）有限責任公司，山西 太原 030053）

引言

實現采煤機的智能化是實現少人、無人綜采工作面的關鍵環節，而采煤機記憶截割技術是關鍵技術之一[1-2]。采煤機記憶截割技術是基于采煤機司機正常截割煤壁時的示教數據，并根據關鍵數據點繪制頂底板曲線，進而控制采煤機截割滾筒按照頂底板曲線進行自動截割。采煤機自動截割時，采煤機司機可根據實際截割滾筒截割狀態進行遠程人工修正，以達到較理想的自動截割效果。采煤機每截割完一刀后，需要進行自學習，修正并優化頂底板曲線。國內較多的煤礦綜采工作面加裝了攝像頭、傳感器以及無線感知模塊用于采集采煤機工作數據，為采煤機智能化、信息化提供數據支撐，但并未產生實質性效果，反而增加了采煤機外部設備的維護、維修工作。具有代表性的黃陵礦1001工作面的采煤機實現了人工遠程干預+自動記憶截割控制模式，但是系統的穩定性和協同性有待提高，截割效果也有較大的提升空間[3-5]。

1 系統設計

采煤機記憶截割控制系統框圖見圖1，由傳感器采集采煤機截割電動機溫度、電流以及液壓系統的油溫、油壓、油位、水流量數據經數據采集模塊后以CAN總線通訊模式傳送至主控制器；獲取的傳感器數據還包括采煤機位置、截割滾筒實時高度、截割滾筒傾角，動態掌握采煤機工作狀態；采煤機牽引部由左右兩臺變頻器分別驅動左右牽引電機，實現變頻牽引。主控制器獲取采煤機傳感器數據、變頻器數據、左右遙控器數據以及左右端頭操作站數據后通過擴展的I/O輸出點驅動接觸器動作，進而完成對采煤機左右截割系統、破碎系統以及油泵系統的控制；同時將采煤機截割狀態數據傳送至人機界面實時顯示；在遠端設置遠程操作平臺，可完成遠程監控以及關鍵動作的遠程控制。

圖1 采煤機記憶截割系統結構圖

2 記憶截割方案的設計

2.1 人工示教過程

采煤機人工示教過程即人工學習過程，采煤機司機操作采煤機沿煤壁截割一刀，控制系統自動記錄左右截割滾筒采高，繪制煤壁頂板、底板曲線。獲取頂底板曲線方法有雙刀前滾筒高后滾筒低采樣、單刀向右采樣以及單刀向左采樣三種[8-10]。雙刀前滾筒高后滾筒低采樣時，需完成兩個整刀過程，沿采煤機前進方向的截割滾筒抬高并進行割頂煤操作，后滾筒放底割底煤，沿前進方向割完一整刀后，反向再完成一整刀截割過程。采煤機處理左右端頭時，停止數據采樣，進行整刀截割時開始采樣。該人工示教的優點為前后截割滾筒的數據相互獨立，數據間的干擾較小且不影響采煤機司機的正常工作；缺點為耗費時間較長，即采煤機處理左右端頭時消耗的時間較長。單刀向右采樣時，采煤機最優的初始地址為工作面左端一個采煤機機身位置，向右割透煤壁后繼續向右沿工作面截割煤壁，右截割滾筒抬高，左截割滾筒臥底，同時記錄左右截割滾筒高度，繪制頂底板曲線。該人工示教的優點是耗時較少，避免了傳感器安裝誤差和自身誤差的影響；缺點是采煤機的初始位置選擇較為關鍵，當采煤機初始位置位于工作面中部時，需上行、下行兩個人工示教過程；另外，當截割滾筒數據的偏差較大時，該過程需人工調節。單刀向右采樣過程與單刀向左采樣過程相似，只是采煤機初始位置信息不同且運行方向相反。

2.2 自適應學習過程

采煤機記憶截割學習過程采用基于人工免疫算法，對人工示教過程采集到的截割滾筒采樣點進行記憶獲取和自適應學習；利用“排外”和“處理非我”的特性將嚴重偏離的采樣點剔除，優化并繪制更加真實的工作面頂底板曲線。對非正常采樣點進行篩取時，定義兩個檢測器，檢測器一用于生成抗體，定義對采煤機截割滾筒采高為YN，前一點采高為YN-1，后一點采高為YN+1，定義前后兩次采高均值為式（1）：

根據式（1）得到采煤機截割滾筒采高點親和度集合式（2）：

當連續兩個采高點數據偏差較大時，則該數據為異常數據[11-12]。對采高點異常數據可根據免疫算法進行修正，假設YN為異常數據點，YN+1為該點前一點采高值，YN-1為該點后一點采高值，則修正值可定義為式（3）：

如果出現連續個異常點時，則修正值可表示為式（4）：

式中：YN+P為前面第N個點的采高；YN-P為后面第N個點的采高。

采煤機記憶截割學習流程見圖2所示，在人工示教階段時，首先完成參數設置過程，其次完成傳感器數據采集并根據結果繪制基礎頂底板曲線并與遠程監測攝像頭繪制的真實頂底板曲線進行比較，如果數據差異過大，則進行人工修正；如果無法進行人工修正，則觸發狀態異常報警[13-16]；繪制的基礎頂底曲線與真實頂底曲線差異不大或者經過人工修正后，即可作為采煤機自動截割的參考曲線。在學習階段時，完成采煤機記憶截割系統參數設置后，啟動自動截割過程，實時跟蹤前后截割滾筒的采高并進行數據存儲。

圖2 采煤機記憶截割學習流程

3 應用分析

為驗證設計并實現的采煤機記憶截割控制系統的實用性和有效性，在某煤機廠總裝車間進行整機系統聯調，試驗用的采煤機機型為MG620/1660，其關鍵參數見表1。

表1 試驗用采煤機關鍵參數列表

首先完成人采用單刀向右采樣法進行采煤機截割人工示教，并繪制基礎頂底板曲線，完成與真實頂底板曲線的比較和修正。在啟動采煤機記憶截割過程時，設置采煤機記憶截割參數，見下頁表2所示。按下“啟動”鍵后，對采煤機記憶截割過程進行模擬測試。根據采煤工藝流程，分別進行單刀、雙刀割煤測試，同時對截割滾筒上升、截割滾筒下降、采煤機牽引部自動切換方向等動作進行試驗，同時記錄并繪制采煤機前后截割滾筒高度曲線，與真實曲線以及記憶曲線進行比較，發現該記憶截割方案能夠保證采煤機記憶截割安全、穩定運行，滿足綜采工作面采煤工藝流程，可達到預期效果。

4 結語

采煤機截割是動態、非線性、時變的復雜過程，基于免疫算法對采集到左右截割滾筒高度數據點進行分析和修正，優化頂底板曲線，為采煤機自動截割提供參考，實現記憶截割過程。文中給出采煤機記憶截割控制系統方案設計，重點分析了人工示教和自適應學習過程，并完成方案試驗，試驗結果表明了設計的采煤機記憶截割控制系統的實用性和有效性。