綜采工作面采煤機自動化控制技術研究

[摘 要]為滿足綜采工作面對采煤機的需求，文章以采煤機自動化控制技術為研究對象，開發了采煤機自動化控制系統。該系統能自動監控采煤機的運行狀態，識別采煤機的潛在故障，還可根據綜采工作面的作業需求，靈活調節采煤機的運行參數，具有較高的實用價值。

[關鍵詞]綜采工作面；采煤機；自動化控制

[中圖分類號]TD632.1 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2024）12–0018–03

Automated Control Technology for Coal Mining Machine in Fully Mechanized Mining Face

REN Leiqiang，YANG Pengxiao

[Abstract]In order to improve the demand for coal mining machines in comprehensive mining work， this article takes coal mining machine automation control technology as the research object and develops a coal mining machine automation control system. This system can automatically monitor the operating status of the coal mining machine， identify potential faults of the coal mining machine， and flexibly adjust the operating parameters of the coal mining machine according to the operational needs of the fully mechanized mining face， which has high practical value.

[Keywords]fully mechanized mining face； coal mining machine； automated control

1 綜采工作面對采煤機自動化控制技術的需求

采煤機是一種采掘煤炭時使用的大型機械設備，在正式作業中主要將支架設置在煤層上方，用以支撐煤層重量，并將切割機構的截齒伸入煤層，完成對煤炭的切割。在采煤機的物理機構中，截齒是重要的工作部件，主要通過高速旋轉來達到切割煤炭的作用。截齒通過旋轉在煤層上完成切割，而切割結構的牽引裝置在運行時會帶動截齒移動，使煤層被切割為若干小塊掉落在采煤機的輸送機上，經輸送機運輸至指定位置。傳統采煤機在綜采工作面上需要工作人員進行手動操作，易受切割時產生的大量煤粉影響，面臨視野受阻的問題，并且空氣中煤粉含量達到一定標準后，還存在一定的安全隱患。所以研發一款具備遠程控制、實時狀態監測的自動化控制系統，對改進傳統采煤機存在的不足具有重要意義。

2 綜采工作面采煤機自動化控制系統的基本架構

文章研究的綜采工作面采煤機自動化控制系統主要由設備層、控制層和管理層組成，不同層級在系統中發揮著不同的作用。采煤機自動化控制系統整體結構如圖1所示。

設備層主要由各類傳感器和執行器等組成，其中傳感器主要有溫度傳感器、甲烷傳感器、CO傳感器等，而執行器主要由采煤機和液壓支架等組成，該層主要負責采集作業現場的環境參數，并對采煤機的實時運行狀態進行控制?？刂茖又饕煽刂破骱徒粨Q機組成，主要功能是處理系統采集的各項數據，對作業現場的采煤機進行實時控制，并通過以太網交換機實現網絡通信。管理層由監控管理和數據服務等功能模塊組成，主要面向用戶提供采煤機運行過程的監控、管理、優化等功能，提供數據存儲、分析、決策等多樣化服務。該系統的通信主要以以太網為基礎，能實現數據信息的實時共享。

2.1 控制器設計

在綜采工作面中，煤層的地質特點具有動態變化的特征，在截割過程中會涉及采煤機采高與牽引速度的調整問題，只有這樣才能適應煤層的變化，提高采煤機的作業效率。

在傳統控制模式中，采煤機的自動化控制主要采用PID控制技術，這種控制方式主要根據微分常數、積分、比例等來實現參數調節，在控制精度上有著顯著優勢。但在綜采工作面中，基于PID控制的自動化調節過程存在一定隨機性，并且PID系統控制缺乏良好的非線性表現，響應系統隨機變化的時間較長，可能無法滿足系統實時調節的要求。針對上述問題，文章研究了新的自動化控制方式，其在控制過程中不用獲取采煤機被控制對象的運行特點，只需根據采煤機在運行時的經驗數值，就能對控制參數進行賦值，支持系統自動地對采煤機的運行參數進行調整。

在自動化控制系統中，控制器主要通過接收來自傳感器傳遞的各類數字信號，在自動處理數據信息的基礎上，自動調整控制參數，在提高控制精度的基礎上，提高控制效果，以便在面對不同地質條件的煤層時能夠提高采煤機對作業環境的適應性。

控制器通過接收機械運行的基本參數，為實現自動化控制提供依據，以此提高采煤機的控制精度和控制效率，其作為采煤機的核心在通過傳感器采集數據信息后，將實時采集的數據信息與標準數據進行對比，或者建立數學模型來辨識求解，能自動地對采煤機的運行參數進行調整。

2.2 電路設計

（1）電源電路。以采煤機自動化控制系統運行需求為導向，設計提供3.3 V、5 V和24 V的直流電源。在電源電路中，5 V電源與串口通信電路連接，為USB到串口轉換電路供電；3.3 V電源由5 V電源轉換獲得，利用AMS1117芯片轉換電源幅值，主要為按鍵電路、傳感器電路等供電；24 V電源為外部開關電源，主要為控制器供電，具備支持控制信號放大的功能。

（2）復位電路。其主要功能是讓電路恢復至最初狀態，便于重新控制電路。該系統一般在電路剛通電，或者手動操作時進行復位操作，避免上次操作對此次操作造成影響，預防程序跑飛的問題，也避免電路陷入死循環無法自動退出。

（3）下載電路。其主要功能是為控制器燒錄程序，將提前編寫的算法下載至控制器。在系統電路中，串口與JTAG都支持向控制器下載程序，但串口只支持程序下載，無法保證下載速度，而JTAG除了能快速下載程序外，還具備在線調試的功能，可以及時發現程序中存在的bug，所以該系統的下載電路選用JTAG接口。

（4）串口通信電路。該電路的功能是將硬件電路采集的信息傳遞給計算機，在計算機顯示屏上顯示采煤機的相關數據參數，便于用戶及時讀取各類數據，而各項數據的傳輸主要通過信號線來完成。文章的串口通信接口選用RS232協議，而計算機USB接口選用USB2.0協議，為支持雙向的數據傳輸，還需要設計從串口到USB的轉換電路。

2.3 傳感器設置

該采煤機自動化控制系統中的傳感器，以電流、溫度、位置、傾角、瓦斯傳感器為主，各類傳感器布置在采煤機的特定位置，或者綜采工作面的安全位置。部分傳感器除了具備信號采集功能外，還可以通過與其他部件的協同，向采煤機下達一定的控制指令。如系統設置發射器和接收器，負責采集紅外信號，能感知采煤機滾筒的位置，并通過位置傳感器下達指令，控制采煤機進行準確定位。

在設置傳感器時，設計人員要重點考慮采煤機自動化控制對傳感器設置的要求，通常要考慮綜采工作面安全作業的問題。以瓦斯傳感器為例，通過設置一定數量的瓦斯傳感器，可實時感知工作環境中的瓦斯濃度，將獲取的測量數據通過無線信號傳遞給自動化控制系統，由接收器對傳感器采集的數據進行處理與分析。

3 綜采工作面采煤機自動化控制技術的應用策略

3.1 自動化監控

3.3 故障自動診斷

在綜采工作面中，采煤機的故障診斷主要將粉塵、溫度、濕度等數據作為監測重點，具體故障診斷流程如圖2所示。

采煤機在運行過程中，主要通過上述流程實現采煤機的故障診斷等情況，通過實時顯示故障診斷相關數據，為工作人員判斷采煤機的運行狀態、系統預警等提供有力支持。

（1）利用布置在采煤機上的傳感器，實時獲取和遠程傳輸傳感器采集的信號參數，為系統實現數據過濾、處理、解析、判斷和決策等提供支持。

（2）利用電液控制系統對液壓支架進行監控，支架運行參數主要包括支架動作參數、傳感器參數、故障報警參數等，通過對傳感器的動作進行編碼，優先發送正在發生變化的傳感器數值，及時對故障信息進行判斷。

（3）系統自動采集各類設備的故障信息，在識別故障后及時預警，利用聯動自動模式促進各設備進行故障自檢，并向用戶發送相應的故障報警提示信息，為采煤機的自動控制和故障檢修等工作提供可靠支持。

4 結束語

綜采工作面采煤機的自動化控制，除了能提高煤礦開采量外，還能保證煤礦開采效率和現場作業的安全性。在綜采工作面中，采煤機的控制性能，在一定程度上決定了綜采工作面的整體作業情況。文章研究的采煤機自動化控制系統，除了可以通過傳感器和攝像頭捕捉相應的數據與圖像外，還可以實時監測采煤機的運行狀況，一發現問題可以立即委派工作人員進行處理，降低不良因素可能給采煤機正常運行造成的影響，通過自動化處理與分析，提高采煤機的整體能力，以便更好地為綜采工作面的工作提供保障。

參考文獻

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