采煤機智能化自適應截割控制系統的研究

何興霖

（鐵峰煤業公司， 山西 右玉 037200）

引言

采煤機是煤礦井下綜采面的關鍵設備，直接決定了煤礦井下綜采效率和安全性。隨著自動化控制技術的不斷發展，多數煤礦井下綜采面已經基本實現了液壓支架的自動跟機以及刮板輸送機的自動調整，但由于采煤機控制流程復雜、截割條件惡劣，因此只是實現了部分自動化截割，在實際使用過程中還是需要人工頻繁地進行調整，給井下綜采作業安全和效率造成了較大的不利影響，因此迫切需要對采煤機的截割控制方案進行優化，提升截割自動化程度。

在對采煤機現有截割控制系統進行分析的基礎上，提出了一種新的采煤機智能化自適應截割控制系統，該系統的優勢是以成熟的記憶截割控制為基礎，增加了自適應修正模式，能夠根據不同的地形條件進行自動反饋修正，有效地提升了記憶截割控制過程中的跟蹤精度和控制靈活性。

1 智能化自適應截割控制系統

為了滿足在井下復雜地質條件下的截割控制需求，本文所提出的智能化自適應截割控制系統采用了“多層次調控”的控制模式[1]，主要包括自適應控制器、控制模塊和執行模塊三個部分，自適應控制器包括了記憶截割控制模塊和自適應修正模塊。

在截割作業過程中，采煤機依照記憶截割控制模塊進行截割控制，自適應修正模塊根據實際的外界條件對記憶截割路徑進行跟蹤和修正，同時系統能夠自動更新記憶截割控制數據庫，實現數據的自動更新和迭代，該智能截割控制系統的結構如圖1 所示[2]。

圖1 智能化自適應截割控制系統結構示意圖

由圖1 可知，在工作的過程中，自適應控制模塊直接對牽引部傳動系統、截割部傳動系統、液壓調高系統運行狀態進行監測并發出調節控制指令，各個單元在接收到調控指令后將反饋信號再發送到自適應控制器內，作為截割控制修正的依據。該系統的控制核心在于各個控制模塊將運行狀態信息實時傳輸到自適應修正控制模塊內，使模塊能夠對外界的信息進行動態監測和判斷，根據判斷結果對截割控制信號進行調節，提升井下截割作業的靈活性和可靠性。

2 記憶截割原理

傳統記憶截割控制中，只是對采煤機截割滾筒的調高控制，該記憶截割模式控制流程相對簡單但對井下復雜地質環境的適應性極差，無法滿足智能截割的控制需求，因此本文提出了一種新的智能記憶截割控制系統，其截割示意圖如下頁圖2 所示[3]。

由下頁圖2 可知，X 軸表示與采煤機截割方向相垂直的水平方向，Y 軸表示采煤機截割方向，Z 軸表示截割滾筒上下移動方向。在進行記憶截割取樣時，系統根據采煤機的位置進行等距離取樣分析，記錄截割的刀數。當截割第i 刀后，對截割過程中所有點位的坐標進行記錄。從第i+1 刀時，其截割路徑按第i 刀的截割路徑進行，若第i+2 刀的地質條件和之前不同，則系統自動對截割滾筒的縱向和橫向位置進行調整，實現多空間方位的優化，確保截割順利進行，截割完成后系統自動對優化后的路徑進行保存，作為下一刀進行截割作業的參考，依次循環進行。

圖2 記憶截割示意圖

該記憶截割控制的優點在于對掘進機搖臂整個空間運行參數的調整，而不僅僅是在截割垂直方向上的單向調整，從而能夠更靈活的適應井下地質條件的變化，提高自動截割作業的可靠性和效率。

3 智能截割控制仿真分析

為了對該采煤機智能化截割控制系統的實際應用情況進行分析，利用simulink 仿真分析軟件建立該智能控制系統的仿真分析模型[4]，對不同控制邏輯下的實際效果進行分析，結果如圖3 所示。

由圖3 可知，當采用傳統截割控制邏輯時，在每一刀的截割調整過程中，采煤機截割滾筒的截割路徑均會出現劇烈的波動，每次調整的波動時間達到了4.5 s，最大截割誤差達到了±5.2 mm，無法滿足井下截割安全性和截割精度的需求，極易出現觸頂事故，導致采煤機斷齒。

圖3 不同截割控制邏輯控制結果示意圖

當采用全新的智能化截割控制邏輯后，在每次調整過程中的最大截割誤差僅±2 mm，比優化前降低了約61.5%，每次跳轉到的波動時間約1.5 s，比優化前降低了約60%，顯著提升了井下截割作業的效率和截割穩定性。

根據在煤礦井下的實際應用，采用新的智能截割控制系統后，綜采面的綜采效率比優化前提升了14.8%，井下綜采面的作業人員數量由17 人降低了到了目前的9 人，人員數量減少了47.1%，對提升井下綜采智能化程度，實現無人化綜采奠定了堅實的基礎。

4 結論

1）智能化自適應截割控制系統采用了“多層次調控”的控制模式，主要包括了自適應控制器、控制模塊和執行模塊三個部分；

2）新的截割控制的優點在于對掘進機搖臂整個空間運行參數的調整，而不僅僅是在截割垂直方向上的單向調整，從而能夠更靈活的適應井下地質條件的變化，提高自動截割作業的可靠性和效率；

3）新的控制系統能夠將采煤機的截割效率提升14.8%，將采煤機截割作業時的跟蹤誤差比優化前降低了61.5%，將井下人員數量減少47.1%，顯著提升了井下智能化作業程度。