采煤機智能化自適應(yīng)截割控制系統(tǒng)的研究

何興霖

（鐵峰煤業(yè)公司， 山西 右玉 037200）

引言

采煤機是煤礦井下綜采面的關(guān)鍵設(shè)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(shù)的不斷發(fā)展，多數(shù)煤礦井下綜采面已經(jīng)基本實現(xiàn)了液壓支架的自動跟機以及刮板輸送機的自動調(diào)整，但由于采煤機控制流程復(fù)雜、截割條件惡劣，因此只是實現(xiàn)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(diào)整，給井下綜采作業(yè)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(yōu)化，提升截割自動化程度。

在對采煤機現(xiàn)有截割控制系統(tǒng)進行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種新的采煤機智能化自適應(yīng)截割控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的優(yōu)勢是以成熟的記憶截割控制為基礎(chǔ)，增加了自適應(yīng)修正模式，能夠根據(jù)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(yīng)截割控制系統(tǒng)

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

在截割作業(yè)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(yīng)修正模塊根據(jù)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(tǒng)能夠自動更新記憶截割控制數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動更新和迭代，該智能截割控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示[2]。

圖1 智能化自適應(yīng)截割控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1 可知，在工作的過程中，自適應(yīng)控制模塊直接對牽引部傳動系統(tǒng)、截割部傳動系統(tǒng)、液壓調(diào)高系統(tǒng)運行狀態(tài)進行監(jiān)測并發(fā)出調(diào)節(jié)控制指令，各個單元在接收到調(diào)控指令后將反饋信號再發(fā)送到自適應(yīng)控制器內(nèi)，作為截割控制修正的依據(jù)。該系統(tǒng)的控制核心在于各個控制模塊將運行狀態(tài)信息實時傳輸?shù)阶赃m應(yīng)修正控制模塊內(nèi)，使模塊能夠?qū)ν饨绲男畔⑦M行動態(tài)監(jiān)測和判斷，根據(jù)判斷結(jié)果對截割控制信號進行調(diào)節(jié)，提升井下截割作業(yè)的靈活性和可靠性。

2 記憶截割原理

傳統(tǒng)記憶截割控制中，只是對采煤機截割滾筒的調(diào)高控制，該記憶截割模式控制流程相對簡單但對井下復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境的適應(yīng)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(tǒng)，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(tǒng)根據(jù)采煤機的位置進行等距離取樣分析，記錄截割的刀數(shù)。當(dāng)截割第i 刀后，對截割過程中所有點位的坐標(biāo)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(zhì)條件和之前不同，則系統(tǒng)自動對截割滾筒的縱向和橫向位置進行調(diào)整，實現(xiàn)多空間方位的優(yōu)化，確保截割順利進行，截割完成后系統(tǒng)自動對優(yōu)化后的路徑進行保存，作為下一刀進行截割作業(yè)的參考，依次循環(huán)進行。

圖2 記憶截割示意圖

該記憶截割控制的優(yōu)點在于對掘進機搖臂整個空間運行參數(shù)的調(diào)整，而不僅僅是在截割垂直方向上的單向調(diào)整，從而能夠更靈活的適應(yīng)井下地質(zhì)條件的變化，提高自動截割作業(yè)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(tǒng)的實際應(yīng)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(tǒng)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(jié)果如圖3 所示。

由圖3 可知，當(dāng)采用傳統(tǒng)截割控制邏輯時，在每一刀的截割調(diào)整過程中，采煤機截割滾筒的截割路徑均會出現(xiàn)劇烈的波動，每次調(diào)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(xiàn)觸頂事故，導(dǎo)致采煤機斷齒。

圖3 不同截割控制邏輯控制結(jié)果示意圖

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

根據(jù)在煤礦井下的實際應(yīng)用，采用新的智能截割控制系統(tǒng)后，綜采面的綜采效率比優(yōu)化前提升了14.8%，井下綜采面的作業(yè)人員數(shù)量由17 人降低了到了目前的9 人，人員數(shù)量減少了47.1%，對提升井下綜采智能化程度，實現(xiàn)無人化綜采奠定了堅實的基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

1）智能化自適應(yīng)截割控制系統(tǒng)采用了“多層次調(diào)控”的控制模式，主要包括了自適應(yīng)控制器、控制模塊和執(zhí)行模塊三個部分；

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

3）新的控制系統(tǒng)能夠?qū)⒉擅簷C的截割效率提升14.8%，將采煤機截割作業(yè)時的跟蹤誤差比優(yōu)化前降低了61.5%，將井下人員數(shù)量減少47.1%，顯著提升了井下智能化作業(yè)程度。