跟机自动化中采煤机自动控制方法研究.pdf

第 4 0卷 第 2期 2 0 1 4年 2月 工矿 自 动化 I nd us t r y a nd M i ne Au t oma t i on Vo 1 ． 4 0 NO ． 2 Fe b ．2 O1 4 ’ i 科研成果 1 _ ◆⋯ ．⋯．⋯ ◆ ◆ 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 4 0 2 0 0 0 1 0 4 DO I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 4 ． 0 2 ． 0 0 1 李骏 ， 林福严． 跟机 自动化中采煤机 自动控制方法研究E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 4 ， 4 0 2 1 4 ． 跟机自动化中采煤机自动控制方法研究 李骏 ， 林 福严 中国矿业大学 北京机 电与信息工程学院，北京 1 0 0 0 8 3 摘 要 给 出 了采煤 机 自动控 制 系统 结构 ； 介绍 了采 煤机 自动控 制 的 实现 采 用 全 截 深双 向跟机 自动 化割 煤工艺和采煤机记忆截割技术 ， 通过定义采煤机 的位置参数和采煤机记忆截割参数表、 液压支架跟机操作状 态表 ， 实现 1个采样 间 隔长度 内采煤机 割 煤 流程 ， 针 对 煤层 条 件 突 变采 用基 于人 工免 疫 的 方 法 处理 ； 研 究 了 基 于灰 色 系统理论 的 采煤机 自动控 制优 化方 法 。测试 结果 验证 了该 方 法的 可行性 。 关键 词 综采 工作 面；跟机 自动化 ； 采 煤机 ；自动控 制 ； 记 忆截 割 ； 灰 色 系统理 论 中图分类号 TD6 3 2 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 4 0 1 2 6 0 9 3 6 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ ww w． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d o i ／ 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 4 ． 0 2 ． O 0 1 ． h t ml Re s e a r c h o f a u t o ma t i c c o n t r o l me t h o d o f s h e a r e r i n ma c h i ne r y t r a c ke d a u t o ma t i o n LI J u n， LI N Fu y a n Sc ho o l o f M e c ha n i c a l El e c t r on i c a n d I nf or ma t i o n En gi n e e r i n g，Chi n a U n i v e r s i t y o f M i ni n g a nd T e c h n o l o g y B e i j i n g ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a Ab s t r a c t The p a pe r g a v e s t r uc t u r e of a u t o m a t i c c on t r ol s y s t e m o f s he a r e r．I t i nt r od uc e d r e a l i z a t i o n o f a u t o m a t i c c o nt r o l o f t he s he a r e r ， t ha t i s t o r e a l i z e c o a l c u t t i n g p r oc e s s o f t he s he a r e r i n on e s a m p l i n g i n t e r v a l l e n g t h t h r o u g h u s i n g f u l l c u t t i n g d e p t h b i d i r e c t i o n a l c o a l mi n i n g t e c h n o l o g y a n d me mo r y c u t t i n g t e c h nol o g y o f t he s he a r e r ，a nd d e f i ni n g s h e a r e r l o c a t i o n pa r a me t e r s a n d p a r a m e t e r t a b l e o f m e mor y c ut t i n g o f t he s h e a r e r a nd a c t i o n s t a t e t a b l e of hy d r a ul i c s upp o r t i n ma c hi ne r y t r a c k e d a ut o m a t i o n p r oc e s s；t o us e a r t i f i c i a l i m mun e me t h od t o ha n dl e c o a l s e a m m u t a t i on．I t s t ud i e d o pt i mi z a t i on m e t ho d o f a u t o m a t i c c o nt r ol o f t he s h e a r e r ba s e d o n gr e y s y s t e m t he or y．The t e s t r e s ul t v a l i d a t e s f e a s i bi l i t y o f t he me t h od． Ke y wo r d s f ul l y me c h a ni z e d c o a l mi ni n g f a c e； ma c hi ne r y t r a c ke d a u t o m a t i o n； s h e a r e r ； a ut o ma t i c c on t r ol ；m e mo r y c u t t i ng；g r e y s y s t e m t he o r y 0 引 言 少人或无人 自动化采煤是 当前 国内外研究的热 点 ， 国家 8 6 3计划在矿产资源高效 开发利用领域重 点 提 出发展 地下 无人 采矿 技术 ] 。跟机 自动 化控 制 功 能是 综采 工作 面 系 统 自动化 的高 级 功 能 ， 是 实 现 综采工作 面 自动化操作 的关键L 2 ] ， 其从综采工作面 整体采煤的角度 ， 将采煤机 、 液压支架 、 刮板输送机 看成一个大型的整体设备 ， 它们在结构上相互配套 、 动作上相互约束 、 位置上相互重叠 ， 并且 由一个集 中 控制中心统一控制_ 3 ] 。目前 ， 对跟机 自动化的研究 主要集 中在液压支架的控制上， 忽略了跟机 自动化 过 程 中对采 煤 机 自动控 制 的研 究 。鉴 此 ， 本 文 基 于 实 验 室搭建 的综 采 工 作 面 实 验平 台 ， 对 跟 机 自动 化 中采煤机 自动控制方法的实现和优化进行了研究和 分 析 。 收稿 日期 2 0 1 3 0 6 1 8 ；修回 日期 2 0 1 3 1 2 1 0 。 基金项 目 中国矿业大学优势学科平台与 2 1 1 建设项 目 2 0 0 9 0 4 。 作者简介 李骏 1 9 9 O 一 ， 男 ， 江苏常州人 ， 硕士研 究生 ， 主要研究方 向为综采工作面 自动化控制 ， E ma i l j s l 9 9 0 2 0 0 8 1 2 6 ． c o rn。 2 工矿 自动化 2 0 1 4年 第 4 0卷 1采煤 机 自动控 制 系统 结构 设计 采煤机 自动控制系统主要 由井上控制部分和井 下控制部分组成 ] ， 如图 1所示 。井上控制部分 由 上位机 、 数据服务器和地面交换机组成 ， 它们之间通 过快速 以太网连接。地面交换机和井下交换机负责 井上和井下的数据通信 ， 井下综采工作 面的所有数 据 ， 包 括液 压支 架控制 系统 、 三机 控制 系统 以及 其他 辅助系统的控制指令和信息 ， 都要通过它们进行传 输 。为了保证数据传输速度 和实时性 ， 地面交换机 和井下交换机之 间通过光纤连 网， 数据传输速度可 达 1 0 0 0 Mb i t ／ s 。井 下控 制部 分 由下 位 机 、 采 煤 机 控制 器 、 液 压支 架控 制器 组成 ， 下位 机通 过 以太 网与 井下 交换 机相 连 ， 又通过 R S 4 8 5总线 连接 采 煤 机 控 制器和液压支架控制器 。 地面 l 兰兰 l ⋯一 ， 呷 ，， ，l， ，， ’， ， ， ，，1|，， ，v ，， ， ，，门 |， ，， v ， ， V ， ， ， ， 圆R s g s4 8s ]匕 兰 ． l L _ J 液 压 支 架 控 制 器 H堕 奎 图 1 采煤机 自动控制 系统结构 2采煤机 自动 控 制的实现 网 2 ． 1跟 机 自动 化割 燥 工艺 根据不 同的地质条件和综采工作面管理规定 ， 跟机 自动化的割煤工艺多种多样 ， 按 照不 同的分类 标准细分为多种 ， 例如按 照割煤方 向不同分为单 向 跟机 自动 化 割煤 工 艺 和双 向跟 机 自动 化 割 煤 工 艺 ； 按照综采工作面三角区段的工艺不同分为全截深跟 机 自动 化割 煤工 艺 和 半截 深 跟 机 自动化 割 煤 工 艺 。 本 文 以应用 最广泛 的全截深 双 向跟机 自动 化割 煤工 艺为例 ， 将综采工作面跟机 自动化过程分为 3个 区 间 机 头段 、 中部 段 、 机尾 段 和 6个 阶段 机 头 斜切 进刀 、 机头割三角煤、 机头向机尾正常割煤、 机尾斜 切进 刀 、 机 尾割 三角 煤 、 机 尾 向机头 正 常割煤 。 2 ． 2 采煤 机记 忆截割技 术 采煤机 自动控制的关键是实现截割滚筒的 自动 调高 ， 截割滚筒 自动调高的最大难题就是如何使 采煤机滚筒 自动适应煤层顶板的起伏变化。因此 ， 本文选择具有记忆截割功能的采煤机作为技术突破 口， 避免了顶板煤层 厚度测量 和煤 岩识 别的难题 。 采煤机记忆截割技术 即首先由采煤机操作人员操纵 采 煤 机沿综 采 工作 面 煤 层进 行 第 1次 切 割 ， 并 记忆 采煤机的行走路线 和在 每个 采样点位置 的截 割参 数。采煤机 自动控制系统将采集的信息存人数据服 务器 ， 由计算机根据数据服务器中的截割参数 自动 控制 截割 滚筒 调高 。 ] 。 2 ． 3 采煤机 位 置参数 的设 定 考虑到顶板的变化 、 液压支架推移的要求 、 顶板 落差的影响， 采样 间隔取液压支架 中心距或其整数 倍 ， 以便用液压支架顺序排列作为采煤机位移和采 样 标 记点 。再结 合 跟机 自动 化 的特 点 ， 采 样 间 隔取 液压支架中心距 。采煤机 的位置用参数 B表示 ， 通 过红 外线采 煤机 位置 检测 装置确 定 。采煤 机在 不 同 割煤阶段同一位置上的截 割参数不 同， 所 以在采煤 机 的位置参 数设 定 中用 A 表 示 采 煤机 所 处 的 阶段 ， A 的取值范围为 1 ～6 ， 通过采煤机上安装的速度传 感器确定 ， 每当速度传感器检测到采煤机速度为 0 时 ， 参数 A 自动加 1 。当参数 A 的值 发生变化时 ， 采煤机控制器将 A 的值传给下位机 ， 再 由下位机写 入 数据 服务器 中 。 2 ． 4数据 库 的设计 本 文利 用关 系数 据库 ， 以上 位机 为客 户端 ， 下位 机为 服务器 ， 实 现 了采 煤 机 自动控 制 系统 的 网络 通 信及数据传输。首先在服务器数据库中设计采煤机 记忆截割参数表和液压支架跟机操作状态表 。采煤 机记忆截割参数表主要包括 采煤机位置参数、 左右 调高油缸位移 、 左右摇臂倾角 、 行走速度 、 设备状态 。 其 中设 备状 态 用 一 个 8 b i t 二 进 制 的 字 符 串 表 示 ， 第 1 8位分别 表示 左截 割 电动机 电流 、 左截 割 电动 机温度 、 右截割电动机 电流、 右截割电动机温度、 左 牵 引 电动机 电流 、 左牵 引 电动机 温度 、 右牵 引 电动机 电流、 右牵引 电动机温度 ， “ 0 ” 表示截割 参数正常 ， “ 1 ” 表示 截 割参数 不正 常 ； 液压 支架 跟机操 作状 态 表 主要包 括 采煤机 位置 参数 、 处 于采 煤机运 行方 向前 c 架液压支架 自动收护帮板状态、 处 于采 煤机运行 方向后 d架液压支架 自动移架状态 、 处于采煤机运 行方 向后 e 架液压支架 自动伸护帮板状态 、 处 于采 煤机 运行 方 向后 f 架液 压支 架 自动 推溜 状 态 ， “ 0 ” 表 示液压支架跟机操作未完成 ， “ 1 ， ’ 表示液压支架跟机 操作完成。采煤机记忆截割参数和液压支架跟机操 作 状态 分别 见表 1 、 表 2 。 2 ． 5 采煤 机 自动控 制流程 按照记忆截割 的要求 ， 首先 由采煤机 司机操纵 采煤机沿综采工作面煤层先割 1个循环 ， 并记忆采 煤机的行走路线和在每个采样点 的截割参数 ， 下位 机将截割参数信息存入数据服务器 中。然后采煤机 根 据 自身记忆 的行走路线开始 自动控制采煤 ， 每 当 2 0 1 4年 第 2期 李骏等 跟机 自动化 中采煤机 自动控制方法研 究 3 表 1 采煤机记忆截 割参 数 表 2 液压支架跟机操作状态 采煤机运行到一个采样 点时， 液压支架控制器将检 测到的采煤机位置信息传 给下位机 ， 下位机将采煤 机位置参数 B写入数据服务器 中， 并读取当前采煤 机所处阶段参数 A， 再根据参数 A， B读取液压支架 跟机操作状态表 中相应 支架 自动收护帮板、 自动移 架 、 自动 伸护 帮板 、 自动 推溜 的状 态 ， 若 液 压 支 架 跟 机操 作未 完成 即状态 为“ 0 ” ， 则下 位机 发送 等待 指 令给采煤机 ， 采煤机原地等待一定时间后 ， 下位机再 次读取未完成操作的状态 ， 若仍为“ 0 ” ， 则下位机发 送停机指令给采煤机并 发出报警信号 ； 若跟机操作 全部完成 即状态全为“ 1 ” ， 则下位机读取采煤机记 忆截割参数表中的截割参数并发送给采煤机， 采煤 机根据截割参 数进行 1个采样 间隔长度 的割煤动 作 ， 其流程如图 2所示 。 2 ． 6 煤层 条件 突变的 处理 采煤机 自动控制过程 中， 由于煤层条件 突变等 ∈ 煤机运行 到采 样点， 液压支架控制器 将采煤机位置信号传给下位机 ● 下位机将参数B 写入数据服务器， 并读取参数 下位机根据参数 、 读 取相应 液压支架跟机操作的状态 t 变 一 N I 下 位 机 发 送 等 待 指 令 给 采 煤 机 l 采煤机原地等待一定时间， 下位机 ] 再 次 读 取 未 完 成 操 作 的 状 态 ’ 下位机读取截割参数， ∞ 。 i 1 背景值 z “ 为 x“ ’ 的紧邻均值生成序列 Z‘ 一 ‘ 2 ， ’ 3 ， ⋯ ， ‘ 3 3 ． 3 截 割路 径优化 的过 程 当采煤循环次数大于 3时， 下位机在每个循环 中读取数据服务器中此循环以前所有的截割滚筒高 度数据 左右调高油缸位移、 左右摇臂倾角 ， 并根据 数据计算 出截割滚筒高度 ， 再利用单因素灰色模型 GM 1 ， 1 预测下一个采煤循环 中各 采样 点的截割 滚筒高度， 并结合预测 的高度规划出下一个采煤循 环的截割路径 ， 从 而实现截割路径 的优化。实验表 明 ， 通 过对截 割路 径 的优化 ， 可 以减少 采煤 机 自适 应 调高和人工修正的次数 ， 从 而提高 自动控制采煤 的 效 率 。 4 结语 基于 跟机 自动化 割煤 工艺 和采煤 机 记忆截 割技 术 的采煤 机 自动 控制 系统 ， 在 主要 设 备 全 部 按 1 4 的比例比照实际设备制作的综采工作面实验平 台上 进行 了测试。测试结果验证了该采煤机 自动控制方 法 的可行 性 ， 但 由于采 煤 机 实 际 工况 的复 杂 性 和 自 动控制系统易故障的问题 ， 该系统还 有待进一步改 进 和完善 。 参考文献 i [1] 方新秋 ， 何 杰 ， 郭敏江 ， 等． 煤 矿无人 工作 面开 采技术 一 BT B a BT y 4 。 式 中 l ， 一 i]；B一 『 ≥ ；]。 主 ㈩ 是 1 一 [ z 0 1 一 ] e x p 一 a k --。b 5 [ 7 ] l 口 l n l ， I E 1 - e x p 1 一 鲁 ] e X p 一 研究 E J 5 ． 科技导报 ， 2 0 0 8 ， 2 6 9 5 6 6 1 ． 田成金 ， 魏文艳 ， 朱小 林． 基 于 S AC型液 压支 架 电液 控制 系 统 的跟 机 自动 化 技 术 研 究 [ J ] ． 煤 矿 开 采 ， 2 0 1 2 ， 1 7 2 4 6 5 0 ． 陶显 ， 林福严 ， 张 晓青 ， 等． 液压 支架 电液控制 系统 跟 机 自动化 技术研究 E J 3 ． 煤炭科学 技术 ， 2 O l 2 ， 4 0 1 2 8 4 8 7 ． 张守祥 ， 王汝琳 ， 刘芳． 综采跟机 自动化系统分析 与建 模[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 0 6 ， 3 2 4 4 - 7 ． 王忠宾 ， 徐志鹏 ， 董晓军． 基于人工免疫和记忆切 割 的 采煤机滚筒 自适应调高[ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 0 9 ， 3 4 1 0 1 40 5 1 4O 9 ． 郝迎吉 ， 刘高峰 ， 孙军亮． 采煤机记忆截割控 制系统 的 实现[ J ] ． 矿 山机械 ， 2 0 0 8 ， 3 6 2 3 6 - 9 ． 徐志鹏 ， 王 忠宾 ， 米金鹏． 采煤机 自适应记忆 切割f J ] ． 重庆大学学报 自然科学 版 ， 2 0 1 1 ， 3 4 4 1 3 4 1 4 0 ． 张丽丽 ， 谭 超 ， 王 忠宾 ， 等． 基于遗传 算法 的采煤 机记 忆截割路径优化E J 3 ． 煤炭工程 ， 2 0 1 1 2 1 1 1 1 1 3 ． 刘春生． 滚筒式采煤 机记忆截割的数学原理 E J 3 ． 黑 龙 江科技学 院学报 ， 2 0 1 0 ， 2 0 2 8 5 9 0 ． 刘思峰 ， 党耀 国， 方志耕 ， 等． 灰 色系统 理论及 其应 用 [ M] ． 5版． 北京 科学 出版社 ， 2 O 1 0 1 4 6 1 9 5 ．