基于VR 技術(shù)的采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)的研究

古海龍

（煤炭科學(xué)研究總院，北京 100020）

引言

煤礦井下綜采作業(yè)的自動(dòng)化和智能化是提升井下綜采作業(yè)效率和安全性的有效途徑，目前采煤機(jī)的綜采作業(yè)自動(dòng)化程度雖然有了一定的提升，但主要還是要依靠作業(yè)人員現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行控制和調(diào)整，由于井下粉塵濃度大、地質(zhì)條件較為復(fù)雜，使綜采效率和安全性均會(huì)受到較大的影響[1]。因此，本文提出了一種新的基于VR 技術(shù)的采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)并展開(kāi)分析。

1 采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)總體控制分享

煤礦井下綜采面“無(wú)人化”智能綜采作業(yè)的難點(diǎn)在于煤礦井下地質(zhì)條件復(fù)雜、粉塵濃度大、能見(jiàn)度差，因此完全靠自動(dòng)控制防難以實(shí)現(xiàn)控制的可靠性，因此，提出了基于VR 技術(shù)的智能控制系統(tǒng)，建立以防爆攝像機(jī)為核心的全面視頻監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下綜采面環(huán)境和各類機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的全面監(jiān)控，通過(guò)高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，操作人員可以在地面監(jiān)控中心進(jìn)行可視化調(diào)整作業(yè)，及時(shí)修正自動(dòng)截割過(guò)程中的偏差和異常，確保煤礦井下綜采作業(yè)過(guò)程中的安全性，該基于VR 技術(shù)的采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)核心邏輯如圖1 所示[2]。

由圖1 可知，該智能綜采控制系統(tǒng)以綜采面巷道集控中心為核心，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)采煤機(jī)、液壓支架和刮板輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測(cè)和控制。對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行的智能控制主要通過(guò)記憶截割控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，對(duì)液壓支架運(yùn)行情況的控制主要通過(guò)跟機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，對(duì)刮板輸送機(jī)運(yùn)行情況的控制主要通過(guò)智能變頻控制系進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，在運(yùn)行過(guò)程中如果需要人工調(diào)整，則可以通過(guò)綜采面巷道集控中心發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)調(diào)整。

圖1 采煤機(jī)智能綜采控制系統(tǒng)邏輯示意圖

綜采面各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)主要通過(guò)設(shè)置在設(shè)備上的傳感器和視頻監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而保證在綜采作業(yè)過(guò)程中對(duì)設(shè)備姿態(tài)監(jiān)控的準(zhǔn)確性，保證人工控制下系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)是該智能控制系統(tǒng)的核心，直接關(guān)系到系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。結(jié)合煤礦井下綜采面的實(shí)際情況，該智能控制系統(tǒng)主要包括視頻監(jiān)控設(shè)備、通信中心和控制中心三個(gè)部分，在搭建該視頻監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)需要保證監(jiān)控的全面性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐〞承裕虼藢⒁曨l監(jiān)控設(shè)備安裝在液壓支架上，每個(gè)支架上設(shè)置一個(gè)監(jiān)控設(shè)備，通信中心主要包括光纖傳輸系統(tǒng)、視頻信號(hào)傳輸和拼接系統(tǒng)等，主要用于對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳輸和視頻解析，監(jiān)控中心主要用于對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行解析、將各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示在監(jiān)控中心，便于操作人員進(jìn)行觀測(cè)和調(diào)整，該監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖2 所示[3]，圖中P1—P8表示視頻監(jiān)控設(shè)備，S 表示正對(duì)采煤機(jī)滾筒的支架到采煤機(jī)的直線距離，α1表示最外側(cè)視頻監(jiān)控胎位和滾筒監(jiān)控點(diǎn)的夾角，C1表示能看到滾筒上目標(biāo)點(diǎn)的第一個(gè)支架和最后一個(gè)支架之間的距離。

圖2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 采煤機(jī)遠(yuǎn)程截割控制方案

采煤機(jī)在煤礦井下的自動(dòng)截割作業(yè)，采用的是以記憶截割為核心的自動(dòng)控制技術(shù)[4]。采煤機(jī)在進(jìn)行截割作業(yè)時(shí)，首先由作業(yè)人員控制采煤機(jī)沿著頂板進(jìn)行截割作業(yè)，此時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)將截割滾筒的截割高度H1進(jìn)行存儲(chǔ)，獲取綜采面頂板的高度曲線S1，同時(shí)對(duì)截割作業(yè)過(guò)程中采煤機(jī)截割滾筒的截割路徑進(jìn)行存儲(chǔ)，完成記憶后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入記憶截割控制模式，沿著采煤機(jī)進(jìn)給方向自動(dòng)截割，當(dāng)煤層高度發(fā)生突變后，采煤機(jī)通過(guò)截割負(fù)載的變化來(lái)發(fā)出報(bào)警，地面監(jiān)控中心的人員根據(jù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程視頻控制下的截割作業(yè)，滿足井下綜采自動(dòng)化和安全性的需求，基于記憶截割的采煤機(jī)截割工藝如圖3 所示。圖中S2表示煤層突變后的頂板曲線，H2表示頂板突變后的高度。

圖3 采煤機(jī)記憶截割示意圖

采煤機(jī)和液壓支架、刮板輸送機(jī)之間，采用了紅外線定位和編碼器綜合定位方案，能夠準(zhǔn)確判斷液壓支架相對(duì)于采煤機(jī)的位置，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的控制程序來(lái)控制各個(gè)液壓支架執(zhí)行移架、收放護(hù)幫板等動(dòng)作，最終實(shí)現(xiàn)液壓支架和刮板輸送機(jī)的跟機(jī)運(yùn)行，滿足綜采面聯(lián)動(dòng)運(yùn)行要求，根據(jù)實(shí)際影響，采用新的技術(shù)方案后，顯著提升了綜采面的綜采作業(yè)效率和安全性，井下綜采作業(yè)人數(shù)由20 人/班降低到8 人/班，降低了約60%，綜采面掘進(jìn)尺度由48 m/d，提升到了54.53 m/d，綜采效率提升了約13.6%，具有極大的應(yīng)用推廣價(jià)值。

4 結(jié)論

1）基于VR 技術(shù)的智能控制系統(tǒng)，以防爆攝像機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下綜采面環(huán)境和各類機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的全面監(jiān)控，操作人員可以在地面監(jiān)控中心進(jìn)行可視化調(diào)整作業(yè)，及時(shí)修正自動(dòng)截割過(guò)程中的偏差和異常；

2）視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括視頻監(jiān)控設(shè)備、通信中心和控制中心三個(gè)部分，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性好；

3）采煤機(jī)在煤礦井下的自動(dòng)截割作業(yè)，采用的是以記憶截割為核心的自動(dòng)控制技術(shù)，控制精確度好，穩(wěn)定性高；

4）智能控制方案能夠?qū)崿F(xiàn)將井下綜采作業(yè)人數(shù)降低60%，綜采效率提升13.6%，有效地提升了煤礦井下的綜采作業(yè)安全和效率。