采煤机记忆截割自动化控制工作原理

朱良嘉，王文平

(陕西双龙煤业开发有限责任公司，陕西 延安 727306)

0 引言

随着煤炭行业的快速发展，绿色矿山、智慧矿山成为我国煤炭发展的主要方向[1-3]。为了减少工作面人员数量，降低职工工作强度，坚持“少人则安，无人则安”的安全理念，智能化综采技术近几年被广泛应用。智能化综采技术主要包括采煤机自动化、液压支架跟机自动化、视频跟机自动化、三机、胶带机、集成供液系统“一键”启停、远程干预和集中监测等功能[4-6]。以采煤机记忆截割为主，液压支架与刮板运输机配合，视频系统实时监控，采煤机司机远程修正，实现智能化开采。由此可见采煤机记忆截割自动化控制技术是智能化综采技术实现的关键之一，因此对记忆截割自动化控制技术进行探索研究，有助于实现真正意义上的无人化开采。

1 采煤机记忆截割自动化控制应用现状

目前，智能化综采技术在国内属于探索使用阶段，部分矿井已经取得一定成果。其中最具有代表的综采智能化项目为黄陵矿业一号煤矿，其采煤技术已经实现记忆截割和远程控制、液压支架跟机自动化、故障诊断等一系列功能。采煤机记忆截割控制技术，主要是通过记录存储采煤机在工作面行走过程中采高、卧底和煤机位置，并通过修正形成的一套程序，在下一个循环刀过程中实现自动截割[7-9]。虽然煤岩识别技术可以从根本改变智能化综采技术运行模式，但目前还处于理论探索阶段。记忆截割技术应用相对广泛，可以节省部分人力成本，改善员工工作环境，提高安全系数。对于工作面赋存厚度低，起伏变化小，夹矸量小的煤层条件，记忆截割技术可以发挥其自身的优点。但煤层倾角大，地质条件复杂的工作面，记忆割煤技术尚有不足。另外，工作面煤尘、瞬间起伏、支架刮板运输机联动等一系列因素，都会对记忆割煤技术产生影响[10-12]。

2 采煤机记忆截割工作原理

采煤机记忆截割，主要是采集采高、卧底、位置3个数据。采高和卧底通过在摇臂上安装位移传感器采集，位置数据通过编码器采集。原理是采煤机司机操作采煤机进行一个循环刀的截割学习，在行走过程中采煤机PLC控制器记录采煤机采高、卧底和位置数据，再对存储数据进行处理，依据人工免疫法筛选合适的数据，剔除错误的参数，经过修复后形成示范刀指导采煤机下一个循环刀。为此，以MG-500/1140-WD型采煤机为例，介绍采煤机记忆割煤控制系统工作原理。

2.1 采煤机记忆截割工艺

所举的案例中，综采工作面为右工作面，采煤机前滚筒割顶煤，后滚筒割底煤，行走方向为从左端头至右端头。当采煤机从左端头进刀，直到工作面割通，然后退回到设定位置，进行清浮煤，采煤机再次退回到另一个设定位置，触发支架动作推动刮板运输机形成蛇形段，采煤机再次进刀并割通，整体完成采煤机中部割煤技术和三角煤工艺。下一刀按照同样原理完成形成示范刀。整个过程采煤机设定分为22象限，通过对象限设定和参数的修改，并与液压支架控制系统程序配合，完成采煤机记忆割煤。

2.2 采煤机记忆截割数据采集

采煤机位置数据：采煤机记忆截割数据采集包含存储量、存储方式及数据处理。为清楚分析，以二维标准坐标为数学模型，X坐标为采煤机位置信息，Y坐标记录采高和卧底数据。采煤机自动化截割实现，煤机位置监测装置是关键之一，影响记忆截割的准确性。采煤机通过编码器记录采煤机准确位置。当采煤机行走过程中，以左端头为0点，右端头235.5 m为终点(工作面切眼长度235.5 m)，记录采煤机的行走过程中每一个位置。

自动调高技术：采煤机滚筒自动调高技术是实现自动化的另一项关键技术。通过一系列实践，在采煤机摇臂上安装带有位移传感器的油缸是最为可靠有效的方法，解决了采煤机震动环境因素影响而造成的数据误差。位移传感器工作原理是磁环与导管产生一个纵向磁场，当电流脉冲信号由传感器电子端送出后，并通过导管时，第2个磁场便由导管的径向方向产生。2个磁场相交瞬间，会产生相应的脉冲信号，然后从产生点返回传感器电子端并被检测出来，通过信号往返可快速、精确的计算出磁环的准确位置。传感器实际测量范围为0～900 mm，输出信号为4～20 mA，对应的模拟量与数字量转换，计算出油缸实际伸缩量，并通过摇臂抬高角度进而确定出采高和卧底。

2.3 标准坐标系建立

采煤机离散点坐标：采煤机以工作面左端头为X坐标，0为参考点，右端头为终点，采煤机前后滚筒截割高度为Y轴，形成3个数据的坐标曲线点参数：前滚筒采高H1、后滚筒采高H2、位置坐标L1，采煤机从右向左截割，以前滚筒刚进煤壁时煤机机身中点为0点，一刀煤割通后为终点。当采煤机在工作面行走时，可以绘制2条曲线，一条为采高曲线，另一条为卧底曲线。采高曲线数据始终由前滚筒所得，卧底曲线数据由后滚筒提供。假如将采煤机看为一个点，X轴上坐标分别为0～235.5 m，Y轴上采高点H1和卧底点H2,并依次可得到采煤机离散点坐标，如图1所示。

图1 采煤机离散点坐标

建立数据框架：进行来回刀的数据采集，得到采高数据、卧底数据和采煤机位置，如何将这些信息存储以及建立数据框架，是实现控制器运行自动截割程序的关键。该采煤机使用欧姆龙PLC控制器，存储空间为D1000-D20000，存储前滚筒采高数据、后滚筒卧底数据及煤机位置，共2刀数据。因此采高数据分配3 000个，卧底3 000个，位置3 000个。X轴采样点间距为8 cm，所以得到Y轴采高离散点坐标为

Y轴卧底离散点坐标为

X轴位置离散点为

3 基于人工免疫法的采高记忆策略

采煤机记忆截割技术的实现，主要依据采高与卧底数据，在绘制的曲线中，受煤机震动、电磁干扰以及其他因素影响，采高与卧底数据突然增大或减小，影响了采样点数据的准确性，关系到记忆割煤的整体实现。如何筛选出准确有效的采样点，选择一个合适的样点填充，需要人工免疫理论进行选择。

3.1 人工免疫法理论

人工免疫法作为人工智能领域的重要分支，是目前智能信息处理的重要手段，它通过类似于生物免疫系统的机能，构造具有动态性和自适应性的信息防御体系，以此来抵制外部无用、有害信息的侵入，从而保证接受信息的有效性与无害性[13-14]。人工免疫法根据自然免疫系统分为以下4个方面。

免疫识别：核心功能是区分本体和非本体，根据对系统对象的识别进行编码储存，定义一个集合的范围，生产一个检测器。

免疫记忆：当免疫系统遇见新抗原时，淋巴细胞为了更准确的识别抗原，需要一定时间进行调整，在识别后以最优的抗体形式保留对抗原的记忆信息，当免疫系统再次遇见相同或相近抗原时，在联想记忆的作用下，可迅速反应。

亲和力计算：亲和力计算主要是计算抗体和抗原支架的亲和力，是免疫算法中最复杂的一种计算，同时也是一项重要的判断标准。由于产生的抗体与克隆类型的抗体分子独特性是相同的，抗体与抗原的亲和力是抗体与抗原亲和力的测量。

免疫克隆：当淋巴细胞实现对抗原的识别后，B细胞被激活并增值复制产生克隆B细胞，随后经编译产生对抗原具有特异性的抗体。

3.2 基于人工免疫采样点的数据修正

人工免疫理论与自动记忆截割系统的对照：人工免疫法具有适应学习、记忆获取、多样性生成和分布式监测的能力。根据人工免疫法理论，采煤机PLC采集的样点，其中有少数样点是不可参考的，即对应抗原，可以剔除记忆割煤中的严重偏离的采样点，填充合适的样点，完善记忆割煤的示范刀参数采集。其功能名称对照见表1。

表1 功能名称对照

当前后两值进行比较时，如果数值超过阈值，则证明此值为非正常采高点，具体情况中阈值多少合适，可在采煤程序中设置“调高最大误差”，得到一个相应的采高集结点的亲和集。当连续2个数值出现较大偏差，则判断为非正常采样点。

如果出现多个点误差，本次示范刀采集数据无效，需重新学习并采集数据。

4 结语

自动记忆截割系统是以采煤机位移传感器、编码器、PLC控制器等精确测量在行走过程中的数据为根基，建立坐标系。利用人工免疫法筛选剔除偏离数据，存储可靠、有效的示范刀数据库，提高采煤机记忆割煤的可行率；在工作面煤层变化情况下，可以通过监控中心远程干预调整，能够为智能化矿井建设提供可靠保证。