基于AI 技术的采煤机运输机双闭环调速应用

（神东煤炭集团锦界煤矿，陕西 神木 719300）

煤矿是耗能大户，能源消耗在煤矿建设、生产过程中占有相当重要的位置，而我国人口众多，能源和其它自然资源相对严重短缺，能源的合理节约使用不仅是一个经济问题，而且已成为重要的战略问题，因此在煤矿建设、生产过程中节约能源消耗，有效地利用能源，不仅是解决短期能源供应短缺的必要选择，更是为我国建设全面小康社会，进而实现现代化提供能源保障的长期战略选择。

目前国际上还不具有成熟的综采工作面集控系统各子系统之间信息交互融合，互联互通的成功使用案例，煤矿节能降耗就是在煤矿建设和生产过程中，依靠科技进步，根据具体的地质、采矿条件，从企业的实际情况、自身效益和环境效益的长远潜力出发，利用人工智能技术、新工艺、新装备，挖掘潜能、规范管理等方式，达到较为显著的节能效果。目前井下在用工作面运输机、转载机都采用变频器驱动，从变频器具有变频器具有启动转矩大、调速范围宽、调速灵活的优点，但目前在使用时，三机的转速都设置为定值，变频器仅仅起到软启动器的作用，变频器主要的调速、节能降耗的优点没有充分利用。采煤机虽采用变频驱动，但都是根据煤机司机经验操作，工作面集控各子系统之间缺少互相渗透交融，互联互通，整体效率有待进一步提升，在此内外环境下，本文介绍一种基于AI 技术的采煤机和运输三机之间的双闭环调速设计使用案例，在神东锦界煤矿已得到使用验证。

一、双闭环调速设计介绍

（一）原理说明

实现三机自动调速需要采集运输机转载机负荷量及相互之间运行工艺，直接的方法是安装煤流量传感器，根据煤流量的大小调节运输机转载机运行速度。目前煤流量传感器的种类很多，常用的是连续称重式、视频识别、激光断面扫描等，但都存在故障率较高、价格昂贵等缺点，许多单位经过多年探索实践，仍然无法克服其缺点，因此煤流量传感器没有得到推广应用。采煤机电牵引主要依据算法实现截割牵引负反馈控制，和运输机无相互制约，受人工控制。根据我矿多年合作积累的自动化割煤技术、综采工作面集控技术，探索了根据采煤机状态、利用人工智能算法来实现采煤机运输三机自动调速控制。该方法不需要使用煤流量传感器，不仅完全克服了煤流量传感器故障率高的缺点，还大大简化了系统，降低成本，提高了系统可靠性。

通常情况下，采煤机距离机头越远、采煤机截割电流越大、牵引速度越快，刮板机上的煤越多，反之煤少。根据这个原理，刮板机速度为采煤机位置、截割电流、牵引速度的函数，建立该函数，可以推算出煤流量。因此，三机速度为：

其中，函数f为基于人工智能、自学习算法的煤流量估算算法。

算出三机的速度给定值后，将该数值发给变频器，由变频器控制电机实现三机调速。集控系统获得三机的速度、电流值后，可以根据三机的负载情况再控制采煤机的牵引速度，形成闭环，防止三机过载、防压死。工作面集控系统实现了采掘、运输一体化控制，提高了自动化水平，降低了能耗。

（二）功能介绍

本文叙述的基于人工智能采煤机、运输机的双闭环调速设计主要目的是改善现有设备控制方式，在机械设备性能指标范围内充分挖掘设备潜能、减少无功功耗、根据负载需求动态调节输出，有效提高设备利用率、降低设备机械损耗，减少水资源浪费，节约电能，达到节能减排增效目的。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

1.运输机速度双闭环控制：

（1）当采煤机在工作面生产割煤时如果停止牵引，则运输机将刮板上煤块拉空后控制运输机减速，以最低能耗运行，当煤机再次割煤时运输机立即加速，以适应正常采煤需求。

（2）运输机根据变频三机的转矩电流、采煤机的牵引速度、牵引电流、截割电流、采煤机的位置，计算出运输机的负荷率，在运输机性能满足条件下跟随采煤机速度动态调节，以适应采煤机速度。

（3）根据采煤机自动化割煤工艺过程进行运输机速度动态调节，两侧三角区域降低运输机速度，确保合理的速度区间满足运输要求。

2.采煤机牵引速度双闭环控制：

（1）采煤机根据左右截割和牵引电流进行闭环调速控制，当采煤机截割电流过大，反馈控制系统触发牵引减速，实现采煤机牵引速度闭环调节。

（2）当运输机或转载机达到性能上限（过载）时，集中控制系统实时采集采煤机速度，当煤机牵引速度较快，则控制采煤机立即减速，以适应运输机运载能力。

（3）采煤机根据自动化割煤工艺，在不同工步、不同位置下动态调节牵引速度，两侧三角煤区域提高牵引速度，充分挖掘设备利用率。

系统优点在于：

1.子系统互相之间信息共享融合，互联互通，一体化控制。

2.机电设备管理规范，设备潜能充分挖掘，避免资源浪费，节约能耗，改善煤质。

3.参数设定好之后各子系统自动控制，不受外部因素限制。

4.改善井下工人劳动强度，改善作业环境。

二、现场验证

（一）煤用电量对比

国家能源集团神东煤炭集团锦界煤矿综采三队31213 工作面自2019 年5月18 日投入使用该套设备，此调速功能至8 月18 日开始使用，以5、6、7月与9、10、11 月对比得出吨煤节约 0.47 度，节约电费0.26 元。其中8 月份环比下降2.6 %。为实现锦界煤矿数字化矿山完善和响应国家能源集团提出的节能降资号召做出一定贡献。（表1 数据来源于锦界煤矿机电科数据统计）

表1 锦界煤矿31213 综采工作面5-11 月用电情况统计表

（二）设备磨损情况改善

自该调速功能投入使用后，基于自动控制设备无功运转情况减少，有效的保护了设备的使用寿命，同时该系统有效的避免了人为误开忘停刮板运输机和装载机的情况，9、10、11 月与5、6、7 月相比，锦界煤矿31213 综采工作面故障影响次数下降4 次，故障率下降4.62%。对31213 工作面设备起到了良好的保护作用。（表2 数据源于锦界煤矿机电科故障统计数据）

表2 锦界煤矿31213 综采工作面5-11 月故障统计表

三、结论

1.基于人工智能技术实现的采煤机运输三机双闭环调速功能的应用在节能降耗方面应用表现显著。

2.通过此套系统的应用对机电设备的使用管理更加规范，减少设备无用磨损，提高机电设备稳定性，提高整个采掘系统平均无故障时间。

3.系统功能及稳定性验证，证实工作面集控系统各子系统之间的信息交互融合，互联互通。

4.通过应用展示了系统对人工要求的降低，改善工人劳动环境，减少劳动强度。

5.通过锦界31213 工作面使用，验证此功能技术的拓展性，具备延伸到皮带控制的技术条件，实现整个煤流的智能控制，助力智慧矿山迈进。