采煤機自動控制關鍵技術在無人工作面的應用

趙云龍

（西山煤電鎮城底礦，山西 古交 030200）

引言

隨著傳感器技術、自動控制技術和信息技術的發展，采煤機正向著自動化、智能化的方向發展，最終實現無人化的工作面。采煤機自動控制技術能夠提高煤炭生產安全性，改善工人作業環境，對于煤礦企業進行采煤機升級改造和發展規劃具有一定意義。

1 位置檢測技術

獲取采煤機位置的檢測技術有齒輪或編碼定位技術、紅外定位技術、射頻識別定位技術和慣性導航定位技術等。齒輪定位技術是通過對采煤機行走齒輪轉動圈數計數，換算成采煤機前進距離來推測采煤機位置的，局限在于采煤機曲線行走時誤差較大。通過無線電波感應單個物體的射頻識別技術具有環境要求低、操作快捷方便等優點，用于采煤機定位中具有獨特的優勢。用液壓支架整數數字編號來表示采煤機位置是目前最常見的方式，通常在1~300之間。工作面上的支架在采煤機經過時可視為靜止狀態，在每個液壓支架固定位置安裝一個存有代表液壓支架編號的電子標簽，在采煤機上安裝一個閱讀器，當采煤機經過某個液壓支架，閱讀器與電子標簽的距離達到讀寫距離以內時，閱讀器就會采集標簽編號并發送給上位機，從而確定采煤機的實際位置。與射頻識別定位法類似，紅外定位技術是在采煤機和液壓支架上安裝一對紅外發射和接受裝置，其對于采煤機的位置描述也是離散的整數編號，由于紅外光線是直線傳播的，因此采煤機與液壓支架間的水平高度存在偏差會導致定位盲區。如圖1所示，捷聯慣性導航是一種通過運動體初始位置信息和三軸加速度、角速度，應用牛頓慣性定律計算運動體姿態、速度和位置的定位技術。該種技術基于加速度計和陀螺儀等慣性敏感器件，能夠實現全空間范圍內的連續定位，測量精度較高，在復雜環境下采煤機定位、人員定位和綜采裝備虛擬現實等均有應用[1-3]。

圖1 捷聯慣導定位技術示意圖

2 自動調速技術

采煤機的前進速度受到瓦斯涌出量、頂板壓力等多種因素的制約，隨著采煤機向前推進，煤層中的瓦斯被釋放出來，頂板的壓力也會越來越大，若采煤機速度加快，通風機無法將瓦斯濃度降下來或者頂板發生破碎，極易發生瓦斯爆炸或冒頂事故。司機需要根據瓦斯濃度和頂板壓力來控制采煤機前進速度，在瓦斯濃度接近安全限值或頂板需要人工支護時降低采煤速度。在無人工作面，瓦斯監測系統和頂板壓力監測系統采集工作面的瓦斯濃度和頂板壓力數據，通過PLC自動控制采煤機速度，在保證安全的情況下提高采煤效率。由于瓦斯濃度采集系統實時更新、傳感器數量多，在傳輸過程中經常受到惡劣環境的干擾，因此基于瓦斯濃度和頂板壓力的采煤機速度控制系統是一個非線性時變系統，無法建立準確的輸入輸出關系，傳統的控制算法控制效果不佳。采用模糊自適應控制和傳統PID控制方法相結合，用PID控制方法提高模糊控制的穩態特性，用模糊控制方法彌補傳統PID控制的動態特性。除了以上因素，頂板的破碎程度也是采煤機速度的影響因素，利用工業攝像機捕捉頂板圖像，經過數字化、邊緣檢測、中值濾波、圖像分割等一系列處理算法，獲取頂板裂縫的破碎程度，并對其進行量化，也是無人工作面采煤機自動調速技術中的一種先進技術。

3 自動調高技術

采煤機作業過程中，要求采煤機司機控制滾筒高度跟隨煤層厚度變化而變化，由于工作面粉塵多、噪聲大，人工調節滾筒高度并不能準確判斷截割狀態和頂底板位置，在較厚的煤層滾筒高度調節偏于保守，會存在開采不充分、資源浪費的現象，在較薄的煤層滾筒高度調節范圍過大，滾筒會切割到頂底板或巖石，造成機械磨損，嚴重時還會產生火花引發瓦斯爆炸。無人工作面的采煤機具有滾筒自動調高功能。采煤機前進過程中，PLC內的煤巖分界算法判斷出煤層厚度，并發出對應的滾筒調節控制信號，液壓系統完成調節滾筒高度的動作，使截割滾筒保持在最大范圍內截割煤層。煤巖識別技術是采煤機滾筒自動調高系統的關鍵技術，其發展經歷了兩個階段。在煤巖識別技術發展初期，通過應力和振動感知、雷達探測和γ射線等手段識別，被稱為直接識別階段。目前的煤巖識別技術是以記憶截割法為代表的間接階段。記憶截割的控制流程分為兩步，首先收集和記憶截割路徑的參數，然后再進行自適應調高。第一次截割由人工操作完成，為采煤機的自動行走和截割提供標準；在第二次及以后的截割動作中，若遇到煤層與滾筒高度不符的情況，采煤機就可以基于人工免疫理論進行自動調高。不同結構的采煤機調高方式不同，通過截割部、機身和搖臂均能調節截割高度，其中以搖臂調節最為常見，所有的調高動作都是由液壓油缸活塞作為執行機構。液壓調高系統由電機、定量泵、電磁換向閥和液壓缸等組成，具有力矩大、散熱好、易控制的優點。電機帶動定量泵向液壓系統供液，PLC發出的電信號控制電磁換向閥的開度，從而改變液壓缸內活塞的伸縮程度，達到控制滾筒高度的目的[4-6]。

4 記憶截割技術

記憶截割技術是一種集位置檢測技術、調速技術和調高技術等為一體的自動化截割方法，如圖2所示，通過在左右搖臂、機身、工作面等位置布置擺角傳感器、三軸陀螺儀等，采集采煤機和工作面的各類數據，通過記憶截割程序將實時數據與記憶學習數據比較，發出記憶截割指令，完成記憶割煤動作。記憶截割系統具有三種工作模式，在人工操作模式下，司機可以手動操作采煤機，在學習模式下，司機手動操作采煤機的同時，各類傳感器采集所有數據和狀態量，存儲在記憶截割軟件中，形成自動截割的學習庫。在所有數據中，工作面頂部和底部的高度數據和采煤機位置是最主要的，合格的學習庫是一個完整的、由工序步驟、區段位置、牽引方向等組成的工序指令表。在自動截割模式下，軟件系統對之前學習模式下的截割過程進行重復再現，通過傳感器返回的實測數據自動修正滾筒位置。采煤機記憶截割系統中，示范刀學習庫的建立關系到記憶截割的效率，在采煤機司機進行第一刀截割時，要盡可能使采煤機運行在常態化地質條件下，盡可能降低循環深度，盡量減少不必要的操作動作，從而提高記憶截割的正常觸發[7-9]。

圖2 采煤機記憶截割系統的傳感器布置圖

5 結語

在無人工作面中，采煤機自動控制技術涉及面廣泛，本文總結了采煤機位置檢測技術、基于瓦斯濃度和頂板壓力監測的調速技術、基于煤巖識別的液壓系統滾筒自動調高技術、記憶截割技術等先進技術的原理、構成和發展方向，為煤礦進行采煤機技術引進、升級改造、發展規劃提供了借鑒。采煤機自動控制技術是實現無人工作面的基礎，國民生產生活對煤炭資源的需求日益擴大，國家對煤炭行業的安全越來越重視，采煤機自動控制技術將更加普及。