采煤機(jī)記憶截割系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

徐云龍

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司屯蘭礦， 山西 古交 030200）

引言

采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)、液壓支架統(tǒng)稱為綜采工作面的“三機(jī)”，“三機(jī)”的自動(dòng)化、智能化水平是決定綜采工作面無(wú)人化程度的關(guān)鍵。目前，我國(guó)綜采工作面的自動(dòng)化、智能化水平和程度偏低，尤其是采煤機(jī)截割生產(chǎn)在很大程度上還依靠現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人工控制，極大制約了綜采工作面的生產(chǎn)效率和安全性[1]。對(duì)于采煤機(jī)而言，實(shí)現(xiàn)其記憶截割是解放作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度和提高工作面安全性、生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。本文將重點(diǎn)針對(duì)采煤機(jī)完成記憶截割系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 采煤機(jī)記憶截割控制技術(shù)研究

對(duì)于工作面應(yīng)用較為廣泛的雙滾筒截割采煤機(jī)，其結(jié)構(gòu)主要包括有截割部、牽引部、液壓系統(tǒng)、拖纜裝置以及電氣控制系統(tǒng)等。實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的記憶截割控制的關(guān)鍵在于控制系統(tǒng)能夠根據(jù)工作面煤層、地面等地質(zhì)變化情況對(duì)截割高度、截割深度、牽引速度等采煤工藝進(jìn)行控制[2]。本文所研究采煤機(jī)的具體型號(hào)為MG620/1660-WD，該型號(hào)采煤機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 MG620/1660-WD 主要參數(shù)

結(jié)合采煤機(jī)的性能及綜采工作面的主要參數(shù)，本文所研究記憶截割控制技術(shù)的應(yīng)用工作方式為兩端進(jìn)刀，實(shí)現(xiàn)對(duì)綜采工作面煤層的雙向截割。在實(shí)際生產(chǎn)中，采煤機(jī)的主要?jiǎng)幼靼ú擅簷C(jī)牽引部的左右控制，采煤機(jī)截割部搖臂的上升或者下降以及截割部滾筒轉(zhuǎn)速的調(diào)整，根據(jù)生產(chǎn)進(jìn)度完成對(duì)液壓支架的拉架推溜任務(wù)。

根據(jù)工作面煤層的條件變化，采煤機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)中的截割工藝包括雙向的正常截割煤炭工藝、截割底煤工藝、清理浮煤工藝、斜切進(jìn)刀工藝以及截割三角煤工藝等。本文對(duì)采煤機(jī)牽引速度、牽引方向以及截割高度三個(gè)參數(shù)完成記憶截割控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并重點(diǎn)在牽引速度一定的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)截割高度的記憶控制[3]。采煤機(jī)遠(yuǎn)程記憶截割控制的實(shí)現(xiàn)需經(jīng)歷人工學(xué)習(xí)、自動(dòng)截割以及遠(yuǎn)程干預(yù)修正三個(gè)階段，對(duì)應(yīng)的流程設(shè)置如圖1 所示。

圖1 采煤機(jī)記憶截割控制流程

2 記憶截割控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本小節(jié)重點(diǎn)完成采煤機(jī)記憶截割控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，并根據(jù)截割生產(chǎn)工藝完成人工示教和自動(dòng)記憶截割參數(shù)的設(shè)置。

2.1 記憶截割控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，工業(yè)生產(chǎn)中廣泛采用PLC 控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的自動(dòng)化、智能化控制。采煤機(jī)截割控制系統(tǒng)也不例外，同樣采用PLC 控制器為核心完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并通過(guò)CAN 總線完成各分系統(tǒng)以及上位機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)裝置之間的通信。采煤機(jī)記憶截割控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 采煤機(jī)記憶截割控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

如圖2 所示，記憶截割控制系統(tǒng)大致包括有主控制單元、輸入/輸出單元、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元等。其中，主控制單元基于CAN 總線通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)安置的各類傳感器對(duì)傳感器的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵參數(shù)包括采煤機(jī)牽引速度、牽引方向、截割高度等采集的同時(shí)，還通過(guò)溫度、流量、液位等傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)工作狀態(tài)的保護(hù)。主控制單元根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)和記憶截割控制策略得出響應(yīng)的控制指令通過(guò)輸入/輸出模塊對(duì)左右截割滾筒的高度、牽引方向和牽引速度進(jìn)行自動(dòng)化、智能化控制[4]。本系統(tǒng)中涉及到的關(guān)鍵硬件模塊如表2 所示。

表2 記憶截割控制系統(tǒng)關(guān)鍵硬件選型結(jié)果

此外，主控制單元通過(guò)422 通信模式實(shí)現(xiàn)其與上位機(jī)的通信，從而能夠保證遠(yuǎn)程操控人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到采煤機(jī)的工作狀態(tài)，并及時(shí)作出所需動(dòng)作的操作。

2.2 記憶截割控制系統(tǒng)的設(shè)置

本節(jié)重點(diǎn)對(duì)采煤機(jī)滾筒截割高度的記憶控制策略進(jìn)行研究，其直接控制對(duì)象為采煤機(jī)截割部搖臂的調(diào)高油缸。因此，需重點(diǎn)通過(guò)油缸位移傳感器對(duì)采煤機(jī)截割部搖臂的調(diào)高油缸行程進(jìn)行控制。當(dāng)采煤機(jī)切換至自動(dòng)截割運(yùn)行程序后，人機(jī)界面對(duì)采煤機(jī)的左右端學(xué)習(xí)位置、端頭清煤距離、左右端清煤次數(shù)以及液壓油缸行程等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

2.2.1 人工示教參數(shù)的設(shè)置

采煤機(jī)記憶截割控制程序的運(yùn)行需要提前完成人工示教和自動(dòng)截割參數(shù)的設(shè)置。其中，人工示教參數(shù)主要是將控制地設(shè)定為本地控制，模式設(shè)置為學(xué)習(xí)模式，且學(xué)習(xí)模式為前高后低雙刀學(xué)習(xí)模式。以左端頭截割為例，其對(duì)應(yīng)的人工示教學(xué)習(xí)流程如圖3所示。

圖3 左端頭人工示教學(xué)習(xí)流程

如圖3 所示，在左端頭人工示教學(xué)習(xí)流程中包括兩個(gè)整刀的學(xué)習(xí)過(guò)程；為了防止由于數(shù)據(jù)多次采集而造成的數(shù)據(jù)紊亂，在學(xué)習(xí)過(guò)程中將處理端頭設(shè)置為禁止學(xué)習(xí)；而且，在兩次整刀的學(xué)習(xí)中必須保證每刀完成一個(gè)完整的學(xué)習(xí)路徑[5]。

2.2.2 自動(dòng)記憶截割參數(shù)的設(shè)置

自動(dòng)記憶截割參數(shù)的設(shè)定包括對(duì)左右端頭的運(yùn)行速度、中間段的運(yùn)行速度（10 m/min）、采高的最大誤差、斜切進(jìn)刀距離、清浮煤距離、清浮煤次數(shù)、割底煤距離以及工作面長(zhǎng)度進(jìn)行對(duì)應(yīng)性設(shè)置。

待人工示教和自動(dòng)記憶截割參數(shù)設(shè)置完成后，由作業(yè)人員按下遙控器的按鈕退出本地控制，并按下自動(dòng)鍵3 s 后進(jìn)入自動(dòng)截割程序。

2.3 記憶截割控制系統(tǒng)的試驗(yàn)

將上述所設(shè)計(jì)完成的采煤機(jī)記憶截割控制系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下搭建平臺(tái)，并對(duì)其性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。人工示教參數(shù)設(shè)置完成后，重點(diǎn)對(duì)自動(dòng)記憶截割參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置結(jié)果如下頁(yè)表3 所示。

表3 記憶截割控制參數(shù)設(shè)置

待上述參數(shù)設(shè)置完成后重點(diǎn)完成了單刀和雙刀的截割工藝參數(shù)測(cè)試，并重點(diǎn)對(duì)采煤機(jī)截割滾筒的上升、下降以及自動(dòng)截割功能的切換性能進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)試驗(yàn)可知，所設(shè)計(jì)的記憶截割控制系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的效果。

3 結(jié)語(yǔ)

采煤機(jī)為綜采工作面與液壓支架、刮板輸送機(jī)配合應(yīng)用的主要綜采設(shè)備，為進(jìn)一步提升綜采工作面的生產(chǎn)效率，提升生產(chǎn)的安全性，為實(shí)現(xiàn)綜采工作面的智能化、自動(dòng)化以及無(wú)人化運(yùn)行奠定基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的記憶截割控制尤為重要。本文以PLC 控制器、CAN 總線、輸入/輸出模塊以及各類傳感器為核心完成記憶截割控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并提出了人工示教和自動(dòng)記憶截割參數(shù)的設(shè)置策略。經(jīng)試驗(yàn)可知，所設(shè)計(jì)的記憶截割控制系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的效果。