采煤機(jī)智能協(xié)調(diào)控制策略及試驗研究

王紹巖

（河曲縣泰陽煤業(yè)有限公司，山西 忻州 034000）

引言

實(shí)現(xiàn)煤礦綜采工作面的自動化生產(chǎn)是當(dāng)前煤礦企業(yè)的發(fā)展方向，而且在未來煤礦生產(chǎn)中逐漸實(shí)現(xiàn)“少人化”甚至“無人化”。在此背景下，保證綜采工作面大型機(jī)電設(shè)備的自動化、高可靠性的運(yùn)行尤為重要。采煤機(jī)作為綜采工作面的主要生產(chǎn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)的智能化控制對于降低作業(yè)人員勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，延長設(shè)備使用壽命，降低設(shè)備維修費(fèi)用具有重要意義[1]。本文將重點(diǎn)在采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)其智能協(xié)調(diào)控制，為實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的自動化生產(chǎn)和自動化工作面的建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

1 采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)的總體設(shè)計

根據(jù)層次結(jié)構(gòu)的不同，采煤機(jī)智能控制功能的實(shí)現(xiàn)需要機(jī)載監(jiān)控系統(tǒng)、順槽監(jiān)控系統(tǒng)以及地面監(jiān)控系統(tǒng)的智能控制作支撐。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，采煤機(jī)的關(guān)鍵動作包括截割部的升降和牽引部的調(diào)速控制兩部分。其中，截割部升降通過調(diào)高油缸的伸縮實(shí)現(xiàn)；牽引部的調(diào)速控制通過調(diào)整牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)。也就說，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)智能控制的關(guān)鍵在于根據(jù)煤層或巖層的特點(diǎn)對調(diào)高油缸的伸縮量和牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行智能化實(shí)時控制，保證采煤機(jī)截齒能夠與煤層或巖層更好地匹配[2]。為實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的智能控制，其對應(yīng)的智能控制流程如圖1所示。

如圖1所示，采煤機(jī)智能控制功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)為對煤層或巖層的自適應(yīng)截割，對采煤機(jī)截割部截齒應(yīng)力、牽引電機(jī)電流值以及調(diào)高油缸的伸縮量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并基于相應(yīng)的智能控制策略對調(diào)高油缸伸縮量和牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。

圖1 采煤機(jī)智能控制流程圖

采煤機(jī)機(jī)載監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是對采煤機(jī)現(xiàn)場工作時機(jī)身、截割電機(jī)、牽引電機(jī)、截割部溫度等參數(shù)的采集；然后通過其中的機(jī)載控制器結(jié)合所采集的參數(shù)實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)左右搖臂電磁閥、制動電磁閥以及牽引電機(jī)的智能控制[3]。

采煤機(jī)順槽監(jiān)控系統(tǒng)主要包括采煤機(jī)3DVR數(shù)字監(jiān)控平臺、工作面視頻監(jiān)視平臺以及無線MESH網(wǎng)絡(luò)平臺等。其與機(jī)載監(jiān)控系統(tǒng)通過無線以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，與地面監(jiān)控系統(tǒng)通過有線以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

采煤機(jī)地面監(jiān)控系統(tǒng)主要提供地面監(jiān)控平臺，方便對采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的掌握。

2 采煤機(jī)智能協(xié)調(diào)控制策略研究

考慮到在實(shí)際生產(chǎn)中，采煤機(jī)需與刮板輸送機(jī)、液壓支架進(jìn)行配套。因此，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)智能控制需保證其不會對液壓支架及刮板輸送機(jī)與其的協(xié)同控制造成影響，從而提出采煤機(jī)智能協(xié)調(diào)控制的理念。

實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的智能控制可首先通過對牽引速度的智能控制避免其在異常狀態(tài)下運(yùn)行。其次，對調(diào)高油缸的伸縮量進(jìn)行智能控制保證與牽引速度相協(xié)調(diào)[4]。因此，本方案基于T-S云推理網(wǎng)絡(luò)根據(jù)采煤機(jī)牽引電機(jī)的實(shí)時電流值、截割電機(jī)的實(shí)時電流值、刮板輸送機(jī)機(jī)頭和機(jī)尾電流值以及其實(shí)時運(yùn)行工況對牽引速度進(jìn)行控制。本節(jié)重點(diǎn)在上述基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)的智能協(xié)調(diào)控制，并建立如圖2所示的協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)體系圖。

圖2 采煤機(jī)智能鞋套控制結(jié)構(gòu)體系圖

如圖2所示，當(dāng)采煤機(jī)在截割過程中發(fā)現(xiàn)實(shí)際煤層或巖層的特征與其所預(yù)測的煤層或巖層的特征存在較大的差異時，基于RS理論和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對采煤機(jī)的運(yùn)行是否處于異常狀態(tài)進(jìn)行判斷。若采煤機(jī)處于異常運(yùn)行狀態(tài)，分別基于T-S云推理調(diào)速模型和煤層分布趨勢的截割路徑跟蹤理論對采煤機(jī)牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速和調(diào)高油缸的伸縮量進(jìn)行智能控制，并達(dá)到協(xié)調(diào)控制的目的。

鑒于采煤機(jī)屬于較大龐大的機(jī)電液控制系統(tǒng)，為保證智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在實(shí)際控制中的穩(wěn)定性，需對采煤機(jī)待執(zhí)行的命令優(yōu)先等級進(jìn)行劃分。采煤機(jī)智能協(xié)調(diào)控制的主要依據(jù)為左右截割電機(jī)、牽引電機(jī)的電流值以及其對應(yīng)的工作狀態(tài)。電機(jī)的電流值可分為波動、異常（報警）、正常三種情況[5]。本文以其中一個案例為基礎(chǔ)闡述優(yōu)先控制的問題。比如：當(dāng)采煤機(jī)左截割電機(jī)電流值出現(xiàn)波動且牽引電機(jī)電流值報警時，對應(yīng)的優(yōu)先控制指令為保持搖臂高度不變，對牽引速度進(jìn)行調(diào)整；若在10 s后采煤機(jī)仍處于異常運(yùn)行狀態(tài)，對應(yīng)的優(yōu)先控制指令為搖臂下降。在上述原則上，為保證采煤機(jī)智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，設(shè)計如圖3所示的優(yōu)先控制級別。

圖3 采煤機(jī)智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的優(yōu)先控制等級

3 采煤機(jī)智能協(xié)調(diào)控制試驗研究

為驗證基于上述智能協(xié)調(diào)控制策略下采煤機(jī)各個功能模塊的性能，項目組對采煤機(jī)智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗室試驗和工業(yè)性試驗。

3.1 采煤機(jī)智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的實(shí)驗室試驗

實(shí)驗室所搭建的平臺由采煤機(jī)模型、操作臺、PLC控制箱、上位機(jī)監(jiān)控平臺和液壓泵站組成。采煤機(jī)智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的主要功能是當(dāng)采煤機(jī)處于異常工作狀態(tài)時能夠及時基于智能協(xié)調(diào)控制策略保證設(shè)備截割路徑的精確性和穩(wěn)定性。鑒于實(shí)驗室條件的限制因素，采煤機(jī)智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制依據(jù)為采煤機(jī)的實(shí)時位置、牽引速度以及搖臂的傾角等。本方案基于智能協(xié)調(diào)控制策略下截割路徑跟蹤效果如圖4所示。

圖4 采煤機(jī)智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)下截割路徑的實(shí)驗跟蹤效果

如圖4所示，采煤機(jī)智能協(xié)調(diào)控制策略下截割路徑的最大跟蹤誤差很小，說明這種調(diào)控方案具有較好的截割路徑跟蹤效果。

3.2 采煤機(jī)智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的工業(yè)性試驗

為進(jìn)一步驗證智能協(xié)調(diào)控制策略對采煤機(jī)控制的穩(wěn)定性和相互協(xié)調(diào)性，在原采煤機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，為其配置了采煤機(jī)位置傳感器、搖臂傾角傳感器、機(jī)身傾角傳感器以及電流傳感器等現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集設(shè)備，并為其配置了本安型無線交換機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)載監(jiān)控系統(tǒng)與順槽監(jiān)控系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的傳輸。在實(shí)際生產(chǎn)中，對工作面100~110 m之間的截割路徑的跟蹤效果進(jìn)行監(jiān)測：當(dāng)采煤機(jī)運(yùn)行至102 m時右滾筒存在較大的波動，采煤機(jī)在繼續(xù)運(yùn)行0.33 m后趨于穩(wěn)定；當(dāng)采煤機(jī)運(yùn)行至107 m時右截割電機(jī)電流值迅速增大，對應(yīng)的電機(jī)處于異常運(yùn)行狀態(tài)，此時在優(yōu)先控制指令的控制下將右搖臂高度下降，對應(yīng)的下降量為3.8 m后采煤機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

4 結(jié)論

基于T-S云推理調(diào)速模型和煤層分布趨勢的截割路徑跟蹤理論、控制優(yōu)先等級建立了采煤機(jī)智能協(xié)調(diào)控制策略，將采煤機(jī)智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)應(yīng)用后得到如下結(jié)論：

1）采煤機(jī)智能協(xié)調(diào)控制策略下截割路徑的最大跟蹤誤差僅為0.045 m，即具有較好的截割路徑跟蹤效果。

2）采煤機(jī)在截割過程中右滾筒存在較大的波動，并在智能協(xié)調(diào)控制策略運(yùn)行0.33 m趨于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。