采煤机一体化控制技术及应用

孟少华

（大同煤矿集团挖金湾虎龙沟煤业有限公司，山西 大同 037001）

引言

采煤机为综采工作面的关键设备，与刮板输送机、液压支架统称为工作面“三机”。目前，应用于综采工作面的采煤机是电气、机械以及液压的集合，在一定程度上采煤机的采煤效率及截割可靠性取决于采煤机机电液一体化控制技术的成熟程度[1]。本文着重对采煤机机电液一体化控制技术进行研究，并对应用效果进行验证。

1 工程概况

该煤矿81505 工作面呈现南北走向的布置方向，该工作面煤层的埋藏深度处于地下70～120 m。受周围地质环境的影响，81505 工作面可供开采煤层的面积约为130 km2；煤层的平均厚度为3.12 m；81505 工作面的顶底板情况如表1 所示。

表1 81505 工作面顶底板情况分析

81505 工作面的走向长度为5 252 m，目前工作面已经推进了2 019 m，倾斜工作面的长度共有200 mm，倾斜角度为1°。经现场勘测可得：工作面可供开采煤层储量共有432 万t；工作面最大涌水量可达859 m3/h，正常涌水量为520 m3/h；工作面所采用的开采方式为走向长壁后退式采煤，顶板管理方法为全部垮落法。

2 采煤机的一体化控制技术

本文以7LS-LWS638 型采煤机为研究对象，其对应的截割高度可达4 500 mm，生产能力可达4 000 t/h，牵引功率为110 kW，滚筒直径为2 200 mm。采煤机共由9 部分组成，分别为电控箱、截割电机、泵电机、牵引电机、牵引齿轮箱、截割滚筒、牵引驱动块、摇臂以及破碎机。所谓采煤机一体化控制指的是根据采煤机电气控制系统得出相应的控制指令，通过对采煤机液压系统的控制，从而实现对采煤机机械部件的控制[2]。

其中，采煤机截割电机主要是对滚筒截割深度和速度的控制，泵电机通过对液压阀的控制实现对调高油缸伸缩量的控制，进而对滚筒截割高度进行控制；牵引电机主要对采煤机的行走方向和行走速度进行控制。采煤机一体化控制功能实现的主要目的是实现采煤机滚筒的智能化控制，从而实现采煤机的自动截割[3]。

2.1 采煤机滚筒智能调高控制技术

采煤机滚筒智能调高控制的实现是根据对采煤机实时工况及工作面情况对其滚筒高度进行实时自适应控制。其主要控制路径为通过调高油缸的伸缩量控制摇臂的摆动，从而实现对滚筒高度的控制。

采煤机调高系统中调高油缸活塞杆的行程和速度主要通过控制电磁阀的开口大小和流量实现。传统滚筒调高系统以电磁阀为核心，为提升滚筒提高系统的稳定性和可靠性，本文以电液比例阀为关键部件设计[3]。基于电液比例阀的滚筒调高液压系统原理框图如下页图1 所示。

为提升滚筒调高系统对采煤机滚筒控制效率的稳定性，提升控制系统的控制精度和抗干扰能力。本文基于遗传算法与PID 控制器相结合的方式实现对采煤机滚筒的智能化控制。

基于遗传算法与PID 相结合的滚筒调高控制系统的核心为基于遗传算法对PID 控制器中比例、微分以及积分三个环节的参数进行整定，从而实现对调高油缸活塞杆的移动方向、行程以及移动速度的精确性控制[4]。

图1 采煤机调高液压系统原理框图

为避免比例、积分以及微分三个系数整定过程中的计算量过大，对上述三个系数的取值范围确定如下：比例环节系数取值范围为0.2～0.5；积分环节系数取值范围为0～0.1；微分环节系数取值范围为0～0.3。基于遗传算法最终对上述三个系数整定结果如下：比例环节系数Kp=0.308；积分环节系数Ki=0.057；微分环节系数Kd=0.210。

2.2 采煤机记忆截割功能的实现

在采煤机实现截割滚筒智能调高控制系统实现的基础上，还需对采煤机截割深度进行自适应控制，进而实现采煤机的记忆截割功能。采煤机自动截割工作过程如图2 所示。

图2 采煤机自动截割过程

如图2 所示，采煤机中央控制器通过对采煤机截割电机、变频器、破碎机电机以及相关变压器等运行参数采集，以及角度传感器、齿轮传感器等获取采煤机运动状态参数的基础上得出对采煤机牵引电机、变频器以及截割深度等参数的控制，实现采煤机的自动化生产。

3 采煤机一体化控制技术的应用

为验证采煤机一体化控制技术的应用效果，本文基于AMESim 仿真软件建立采煤机滚筒调高液压控制系统的模型，并设定仿真时长为5 s，仿真步长为0.01 s，对一体化控制技术下采煤机调高油缸活塞杆的运动特性与传统控制技术下调高油缸活塞杆的运行特性进行对比，对比结果如图3 所示：

图3 采煤机一体化控制技术和传统控制技术的效果对比

如图3 所示，将传统采煤机控制技术进行一体化优化后，活塞杆的速度无明显的紊乱现象，且活塞杆速度的稳定性明显增加，提高了滚筒调高系统的抗干扰能力，减小了调高系统在控制过程对系统所造成的冲击性[5]。

基于采煤机一体控制技术所实现的采煤机自动截割技术保证采煤机在完成两个循环的手动截割操作后，根据两个循环的学习记录实现工作面的自动截割。此外，采煤机一体化控制功能的实现是实现与综采工作面刮板输送机、液压支架一体化控制的基础，为提升综采工作面的采煤效率奠定基础。

4 结语

以某煤矿当前所采用的7LS-LWS638 型采煤机为例，以实现采煤机滚筒的智能调高和采煤机的记忆截割为基础实现对采煤机的一体化控制，具体总结如下：

1）以遗传算法和PID 控制器为核心，建立采煤机滚筒的智能化控制系统，通过对调高滚筒电机的液压换向阀、液压泵等液压元器件的控制，从而对滚筒的调高进行控制，实现采煤机的一体化控制，且在一体化控制技术使得采煤机滚筒调高更加平滑、稳定。

2）基于采煤机一体化控制技术采煤机可根据工作面煤层特征在完成两个循环的手动截割任务后，实现采煤机的自动截割功能。