基于擴展截割路徑的采煤機端頭記憶截割方法研究

高建喜

（山西鄉寧焦煤集團燕家河煤業有限公司，山西 臨汾 042100）

0 引言

采煤機為煤礦綜采工作面的核心生產設備，在當機械化生產的前提下對采煤機自動化生產水平要求也越高。目前，采煤機的自動化截割主要表現在工作面的中段，而在工作面端頭區間的斜切進刀截割仍然是基于人工操作實現的。為進一步提升采煤機的自動化、智能化截割水平，采用基于擴展截割路徑的端頭記憶截割方法實現對工作面端頭區間煤層的截割，在降低操作人員數量和勞動強度的同時，避免采煤機截齒損害、軸承磨損以及電機過載等故障[1]。

1 采煤機記憶截割系統的總體設計

綜采工作面生產環境惡劣，對應的采煤機所面臨的生產工況相對復雜，導致針對綜采工作面端頭區間的煤層截割無法達到記憶截割的水平[2]。本節將針對此問題完成采煤機端頭的記憶截割系統的設計，包括有機載端頭記憶截割系統和順槽遠程端頭記憶截割系統。

1.1 采煤機概述

以雙滾筒采煤機為例開展研究，采煤機基本結構如圖1 所示。雙滾筒采煤機主要包括有左右牽引系統、左右截割系統以及電氣控制系統等核心部件。其中，截割部為與煤層截齒的部件，滾筒為截割部的執行機構，其與煤層直接接觸，也是交變載荷傳遞的第一載體；牽引部為實現采煤機沿著煤層行走的部件，其以刮板輸送機提供的軌道為基礎實現行走功能；電氣控制系統為采煤機的中樞大腦，其是發出控制指令的部件。

圖1 采煤機基本結構示意圖

1.2 采煤機端頭記憶截割控制方案

目前，綜采工作面端頭煤層為采煤機截割的主要難點，其也是無法實現全面自動化生產的關鍵點。針對采煤機端頭煤層主要以斜切進刀方式完成截割任務，而且此項任務目前主要依靠人工操作完成[3]。鑒于端頭煤層的特殊性，需要在該位置往復截割兩個循環才能夠完成最終的采煤任務，即“2 進2 出”采煤工藝。在上述四刀的截割中，第一刀、第三刀以及第四刀所行走的軌跡為與工作面煤壁相平行的直線路線；而第二刀所行走的軌跡為S 型的彎曲路線。

采煤機在實際生產中的關鍵控制動作包括牽引調速、推溜以及滾筒調高。其中，采煤機端頭記憶截割的核心在于對采煤機滾筒的自動調高和牽引速度的自動控制以達到二者的高度匹配，最終實現了對工作面端頭煤層的自動化記憶截割。根據采煤機端頭記憶截割的控制需求，設計如圖2 所示的控制流程。

圖2 采煤機端頭記憶截割控制流程

如圖2 所示，采煤機端頭記憶截割功能實現的基礎為根據現場所安裝的各類檢測采煤機工作狀態傳感器所采集的實時數據，并結合歷史數據實現對采煤機端頭負載的預判，并基于擴展截割路徑端頭截割方法實現對端頭區段內煤層的截割。

2 采煤機端頭記憶截割系統設計

采煤機端頭記憶截割可以分為機載端頭記憶截割系統和順槽遠程端頭記憶截割系統。根據現場實際生產情況，分別完成上述兩類端頭記憶截割控制系統的設計。

2.1 采煤機機載端頭記憶截割控制系統的設計

考慮到端頭區段空間的限制和工作環境的惡劣性，在機載端頭記憶截割系統僅對傳感器所采集的數據進行簡單的處理；也就是說，機載端頭記憶截割系統所配套的各類傳感器模塊所采集的數據進行簡單的處理后通過無線網絡將其傳輸至順槽遠程端頭記憶截割系統中進行運算、分析處理[4]。

因此，對于機載端頭記憶截割系統而言，其核心為PLC 處理器和各類傳感器模塊。綜合工作面生產環境的惡劣性，本系統采用西門子公司的S7-300 系列PLC 為核心處理器，與其相配套的各類硬件如表1所示。

表1 機載端頭記憶截割系統PLC 控制器硬件模塊

該系統所配套的傳感器包括有傾角傳感器、電流互感器和溫度傳感器。其中，傾角傳感器主要對采煤機機身和滾筒進行定位；電流互感器對左右截割電機和牽引電機的電流參數進行采集；溫度傳感器對左右截割電機和牽引電機溫度進行采集。

針對機載端頭記憶截割系統數據向順槽遠程端頭記憶截割系統傳輸的需求，考慮到工作面處于不斷推進的狀態，采用傳統的電纜對數據進行傳輸無法長期實現其功能。因此，本系統采用MESH 交換機作為無線通信平臺完成兩個系統數據的交換[5]。

2.2 順槽遠程端頭記憶截割系統

順槽遠程端頭記憶截割系統的主要功能是實現與機載端頭記憶截割系統的數據通信和對數據進行監控管理。因此，該系統主要包括有采煤機WinCC 監控平臺和無線MESH 交換機網絡管理平臺。

其中，基于采煤機WinCC 監控平臺可實時顯示采煤機的工作狀態，包括端頭截割曲線、電機電流、溫度以及故障信息等。無線通信管理平臺保證兩個系統數據的正常交換和通信。

3 采煤機端頭記憶截割的工業性試驗

為了驗證端頭記憶截割控制系統的控制流程的合理性以及各個模塊的有效性，在71509 綜采工作面應用本文所設計的記憶截割控制系統，在現場所搭建的控制系統憑條架構如圖3 所示。

圖3 采煤機端頭記憶截割系統現場應用效果

71509 綜采工作面煤層的平均傾角為5°，煤層最大厚度為4 m；該工作面所配套的采煤機型號為MG300/700-WD，與之相配套的刮板輸送機型號為SGZ-800/800。采煤機在對端頭區段煤層進行截割時，端頭記憶截割系統的控制效果如圖4 所示。

圖4 端頭記憶截割系統控制效果

如圖4 所示，在對端頭區段內煤層進行截割時，采煤機的行走和截割軌跡均能夠按照目標路徑完成截割功能，即具有良好的跟蹤效果。

4 結論

采煤機為綜采工作面生產的核心設備，其生產能力和自動化水平直接關系著整個煤礦的生產能力。目前，對于工作面中段煤層已經初步實現了自動化記憶截割功能，而對于工作面端頭區段的煤層還主要依靠人工操作完成截割。為此，本文設計了一款基于擴展截割路徑的端頭記憶截割系統。總結如下：

1）端頭煤層記憶截割包括有機載端頭記憶截割系統和順槽遠程端頭記憶截割系統兩部分組成；其中，機載端頭記憶截割系統以PLC 控制器為核心，以各類傳感器為依托實現對采煤機實時運動參數的采集，并通過無線網絡傳輸至順槽遠程端頭記憶截割系統；順槽遠程記憶截割系統對所采集的數據進行深度分析處理后得出控制指令，并傳輸至機載端頭記憶截割控制系統實現對采煤機截割動作的控制。

2）實踐表明：在對端頭區段內煤層進行截割時，采煤機的行走和截割軌跡均能夠按照目標路徑完成截割功能，具有良好的跟蹤效果。