采煤机智能协调控制策略及试验研究

王绍岩

（河曲县泰阳煤业有限公司，山西 忻州 034000）

引言

实现煤矿综采工作面的自动化生产是当前煤矿企业的发展方向，而且在未来煤矿生产中逐渐实现“少人化”甚至“无人化”。在此背景下，保证综采工作面大型机电设备的自动化、高可靠性的运行尤为重要。采煤机作为综采工作面的主要生产设备，实现对采煤机的智能化控制对于降低作业人员劳动强度，提高生产效率，延长设备使用寿命，降低设备维修费用具有重要意义[1]。本文将重点在采煤机智能控制系统的基础上实现其智能协调控制，为实现采煤机的自动化生产和自动化工作面的建设奠定基础。

1 采煤机智能控制系统的总体设计

根据层次结构的不同，采煤机智能控制功能的实现需要机载监控系统、顺槽监控系统以及地面监控系统的智能控制作支撑。在实际生产过程中，采煤机的关键动作包括截割部的升降和牵引部的调速控制两部分。其中，截割部升降通过调高油缸的伸缩实现；牵引部的调速控制通过调整牵引电机转速实现。也就说，实现采煤机智能控制的关键在于根据煤层或岩层的特点对调高油缸的伸缩量和牵引电机转速进行智能化实时控制，保证采煤机截齿能够与煤层或岩层更好地匹配[2]。为实现采煤机的智能控制，其对应的智能控制流程如图1所示。

如图1所示，采煤机智能控制功能实现的基础为对煤层或岩层的自适应截割，对采煤机截割部截齿应力、牵引电机电流值以及调高油缸的伸缩量进行实时监测，并基于相应的智能控制策略对调高油缸伸缩量和牵引电机转速的控制。

图1 采煤机智能控制流程图

采煤机机载监控系统的主要功能是对采煤机现场工作时机身、截割电机、牵引电机、截割部温度等参数的采集；然后通过其中的机载控制器结合所采集的参数实现对采煤机左右摇臂电磁阀、制动电磁阀以及牵引电机的智能控制[3]。

采煤机顺槽监控系统主要包括采煤机3DVR数字监控平台、工作面视频监视平台以及无线MESH网络平台等。其与机载监控系统通过无线以太网实现数据传输，与地面监控系统通过有线以太网实现数据传输。

采煤机地面监控系统主要提供地面监控平台，方便对采煤机运行状态的掌握。

2 采煤机智能协调控制策略研究

考虑到在实际生产中，采煤机需与刮板输送机、液压支架进行配套。因此，实现采煤机智能控制需保证其不会对液压支架及刮板输送机与其的协同控制造成影响，从而提出采煤机智能协调控制的理念。

实现采煤机的智能控制可首先通过对牵引速度的智能控制避免其在异常状态下运行。其次，对调高油缸的伸缩量进行智能控制保证与牵引速度相协调[4]。因此，本方案基于T-S云推理网络根据采煤机牵引电机的实时电流值、截割电机的实时电流值、刮板输送机机头和机尾电流值以及其实时运行工况对牵引速度进行控制。本节重点在上述基础上实现对采煤机的智能协调控制，并建立如图2所示的协调控制结构体系图。

图2 采煤机智能鞋套控制结构体系图

如图2所示，当采煤机在截割过程中发现实际煤层或岩层的特征与其所预测的煤层或岩层的特征存在较大的差异时，基于RS理论和BP神经网络对采煤机的运行是否处于异常状态进行判断。若采煤机处于异常运行状态，分别基于T-S云推理调速模型和煤层分布趋势的截割路径跟踪理论对采煤机牵引电机转速和调高油缸的伸缩量进行智能控制，并达到协调控制的目的。

鉴于采煤机属于较大庞大的机电液控制系统，为保证智能协调控制系统在实际控制中的稳定性，需对采煤机待执行的命令优先等级进行划分。采煤机智能协调控制的主要依据为左右截割电机、牵引电机的电流值以及其对应的工作状态。电机的电流值可分为波动、异常（报警）、正常三种情况[5]。本文以其中一个案例为基础阐述优先控制的问题。比如：当采煤机左截割电机电流值出现波动且牵引电机电流值报警时，对应的优先控制指令为保持摇臂高度不变，对牵引速度进行调整；若在10 s后采煤机仍处于异常运行状态，对应的优先控制指令为摇臂下降。在上述原则上，为保证采煤机智能协调控制系统的稳定性，设计如图3所示的优先控制级别。

图3 采煤机智能协调控制系统的优先控制等级

3 采煤机智能协调控制试验研究

为验证基于上述智能协调控制策略下采煤机各个功能模块的性能，项目组对采煤机智能协调控制系统进行实验室试验和工业性试验。

3.1 采煤机智能协调控制系统的实验室试验

实验室所搭建的平台由采煤机模型、操作台、PLC控制箱、上位机监控平台和液压泵站组成。采煤机智能协调控制系统的主要功能是当采煤机处于异常工作状态时能够及时基于智能协调控制策略保证设备截割路径的精确性和稳定性。鉴于实验室条件的限制因素，采煤机智能协调控制系统的控制依据为采煤机的实时位置、牵引速度以及摇臂的倾角等。本方案基于智能协调控制策略下截割路径跟踪效果如图4所示。

图4 采煤机智能协调控制系统下截割路径的实验跟踪效果

如图4所示，采煤机智能协调控制策略下截割路径的最大跟踪误差很小，说明这种调控方案具有较好的截割路径跟踪效果。

3.2 采煤机智能协调控制系统的工业性试验

为进一步验证智能协调控制策略对采煤机控制的稳定性和相互协调性，在原采煤机控制系统的基础上，为其配置了采煤机位置传感器、摇臂倾角传感器、机身倾角传感器以及电流传感器等现场数据采集设备，并为其配置了本安型无线交换机实现机载监控系统与顺槽监控系统之间数据的传输。在实际生产中，对工作面100~110 m之间的截割路径的跟踪效果进行监测：当采煤机运行至102 m时右滚筒存在较大的波动，采煤机在继续运行0.33 m后趋于稳定；当采煤机运行至107 m时右截割电机电流值迅速增大，对应的电机处于异常运行状态，此时在优先控制指令的控制下将右摇臂高度下降，对应的下降量为3.8 m后采煤机处于正常运行状态。

4 结论

基于T-S云推理调速模型和煤层分布趋势的截割路径跟踪理论、控制优先等级建立了采煤机智能协调控制策略，将采煤机智能协调控制系统应用后得到如下结论：

1）采煤机智能协调控制策略下截割路径的最大跟踪误差仅为0.045 m，即具有较好的截割路径跟踪效果。

2）采煤机在截割过程中右滚筒存在较大的波动，并在智能协调控制策略运行0.33 m趋于稳定运行状态。