综采工作面直线度控制系统研究.pdf

第 4 1 卷 第 5期 2 0 1 5年 5月 工矿 自 动化 I nd us t r y a nd M i ne Aut o mat i o n V0 1 ． 4 l No ． 5 M a y 2 01 5 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 5 0 0 0 5 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 5 ． 0 5 ． 0 0 2 牛剑峰． 综采工作面直线度控制系统研究E J ] ． 工矿 自动化， 2 0 1 5 ， 4 1 5 5 - 8 ． 综采工作面直线度控制系统研究 牛剑峰 北京天地玛珂电液控制系统有限公司，北京 1 0 0 0 1 3 摘 要 分 析 了实现 综 采 工作 面直 线度 控制 的 主要 方 法 ， 介 绍 了工作 面直 线度 控 制 的 工作 原 理 ， 并 采 用激 光 对 位传 感 器等 设 计 了工作 面 直线度 控 制 系统 ， 实现 了工作 面液压 支架 的 直 线度 控 制 。井 下原 理 性 实验 结 果表 明 ，该 系统 能够有 效 地控 制 沿工作 面走 向的 支架之 间的相对 位 置 ， 直线度 控制 精度 达到 3 0 F i l m， 能够 满 足 工作 面 直线度控 制要 求 。 关键 词 综 采工 作 面 ；液压 支 架 ；直 线度控 制 ；激 光对 位传 感 器 中图分类 号 TD 3 5 5 ． 4 文 献标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 5 0 4 3 0 0 8 2 8 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ ww w． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 5 0 4 3 0 ． 0 8 2 8 ． 0 0 2 ． h t ml 收稿 日期 2 0 1 4 - 1 1 1 0 ； 修回 日期 2 0 1 5 0 3 一 l 8 ； 责任编辑 胡娴 。 基金项 目 国家高技术研究发展计划 8 6 3 计 划 项 目 2 0 1 3 AA0 6 A4 1 0 。 作者简介 牛剑峰 1 9 6 1 一 ， 男 ， 山西太原人 ， 高级 工程 师， 从事煤 矿综采 工作面 自动化 系统的研 究及产 品开发与研 发管理 工作 ， E ma i l n j f t d r n a r c o ． c o rn 。 [ 1 6 ] 李继 云． 矿 山物联 网节点 的研 究与 开发 [ D ] ． 淮 南 安t e c h n i q u e s [ J ] ．J o u r n a l o f t h e I n d i a n S o c i e t y o f 徽理工 大学 ， 2 0 1 1 ． R e mo t e S e n s i n g ， 1 9 9 3 ， 2 1 3 1 6 7 1 7 7 ． [ 1 7 ] 张 春辉． 基 于 3 C 2 4 1 0的物 联 网矿 山数 据 采集 终 端 [ 2 8 ] D OHE R TY L ．Al g o r i t h ms f o r p o s i t i o n a n d d a t a 的研究与设计[ D ] ． 长沙 中南大学 ， 2 0 1 2 ． r e c o v e r y i n wi r e l e s s s e n s o r n e t wo r k s[ D ] ． B e r k e l e y [ 1 8 ] 邵国强． 矿用无线通信及人员定位管理系统设计[ J ] ． Un i v e r s i t y o f C a l i f o r n i a ， 2 0 0 0 ． 工 矿 自动化 ， 2 0 1 3 ， 3 9 3 1 0 1 2 ． [ 2 9 ] S MI TH G L B ，C A RI S C，C AR TE R G． 4 D [ 1 9 ] 孙 彦景 ， 钱建 生． 煤 矿综 合 自动化 系统 的研究 与设 计 v i s u a l i z a t i o n o f e x p l o r a t i o n ＆ mi n e d a t a ”C I S R O [ J ] ． 矿业安全与环保 ， 2 0 1 0 ， 3 5 3 4 - 7 ． v i r t u a l mi n e ” l- R] ． Au s t r a l i a C S I R O E x p l o r a t i o n a n d [ 2 o ] 太 平． 矿 山物联网通信服务质量智 能分组调度技 术研 Mi n i n g R e p o r t ， 2 0 0 2 7 3 5 ． 究 [ D ] ． 包 头 内蒙古科技 大学 ， 2 0 1 2 ． [ 3 O ] RA B AE Y J ， L ANGE ND OE N K ． R o b u s t p o s i t i o n i n g [ 2 1 ] 赵 安新 ， 卢建 军 ， 崔曼． 利用物联 网构建 矿山机 电设 备 a l g o r i t h ms f o r d i s t r i b u t e d a d h o c wi r e l e s s s e n s o r 的 监 测 平 台 l- J ] ． 西 安 邮 电学 院 学 报 ， 2 0 1 0 ， 1 5 6 n e t w o r k s [ C ] ／ ／ US E NI X Te c h n i c a l An n u m 8 5 8 7． Co nf e r e nc e， Ca l i f o r n i a， 20 02 3 1 7 - 3 27． [ 2 2 ] 陈铎 ， 王 刚． 基 于 矿 山物 联 网 的设 备 动 态 管 理 系统 [ 3 1 ]HE I NZ E L MAN W B，C HAN DR AKA S AN A P， [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 O 1 3 ， 3 9 5 1 6 - 1 9 ． B A L AKR I S HNA H． A n a P P l i e a t i o n - s p e c i f i c p r o t o c o l [ 2 3 ] 赵志军 ， 沈强 ， 唐 晖 ， 等． 物联 网架 构和智 能信 息处 理 a r c h i t e c t u r e f o r wi r e l e s s mi c r o s e n s o r n e t w0 r k s r J ] ． 理论与关键技 术[ J ] ． 计算机科学 ， 2 0 1 1 ， 3 8 8 1 - 8 ． I E E E Tr a n s a c t i o n s o n wi r e l e s s C o n mmu n i c a t i o n s ． 1, 2 4 ] 宋金玲 ， 郝丽娜 ， 魏 培 ， 等 夹 河煤 矿感 知矿 山物联 网 2 0 0 2 ，1 4 66 o 一 6 7 O． 设 计 及 实施 [ ] 煤 炭 科 学 技 术 ， 。 ， 。 。 [ 3 2 ] 李文耀 ．煤矿井下无线通信 的现状 及发展 [ J ] ． 机械管 [ 2 5 ] 张雷 ， 许 云 良， 李 刚． 感知矿 山物 联网在夹河煤矿 的建 理开发 , 2 0 0 5 1 5 3 - 5 4 ． 设及应用 [ J ] ． 中国矿业 ， 2 0 1 2 ， 2 1 增 刊 1 1 3 3 1 3 5 ． [ 3 3 ] 韦战 ， 施伟斌 基于无线 传感 器 网络 的嵌 入式 操作 系 [ 2 6 ] 张杰． 物联网技术在神华 宁煤集团数字化矿 山建设 中 统Ti n y Os[ J ] ． 装备制造技术 ， 2 0 1 0 4 9 9 1 0 0 ． 的应用研究 [ J ] ． 煤矿现代化 ， 2 0 1 2 5 2 5 ． [- 3 4 ] I E R C C l u s t e r B o o k 一 2 0 1 4 一 C h I 3 一 S R I A WE B I, E B ／ [ 2 7 ] J E Y AR AM A， B AL A s uB R AMANI AN R， OL ] ． [ 2 0 1 4 1 2 0 9 ] ． h t t p ／ ／w ww． i n t e r n e t o f - t h i n g s MURTHY Y． En v i r o n me n t a l a s p e c t s i n Da l l i Ra j h a r a r e s e a r c h ． e u ／ p d f ／ I ERC Cl u s t e r B o o k 2 0 1 4 Ch ． 3 i r o nor e mi ne a r e a， M P u s i ng di gi t a l i ma g e pr o c e s s i ng SRI A W EB ．p d f ． 6 工矿 自动化 2 0 1 5年 第 4 1卷 Re s e a r c h o f s t r a i gh t ne s s c o nt r o l s ys t e m o f f u l l y me c ha n i z e d c o a l mi ni n g f a c e NI U J i a n f e n g Be i j i n g Ti a n d i Ma r c o El e c t r o n i c Hy d r a u l i c Co n t r o l S y s t e m Co mp a n y Lt d． ，B e i j i n g 1 0 0 0 1 3 ，Ch i n a Ab s t r a c t Th e p a p e r a n a l y z e d ma i n me t h o d s o f s t r a i g h t n e s s c o n t r o l o f f u l l y me c h a n i z e d c o a l mi n i n g f a c e a nd i nt r o du c e d wo r k i n g p r i nc i pl e o f s t r a i gh t ne s s c on t r o 1 ． I t u s e d l a s e r a l i g nme n t s e n s o r t o de s i g n s t r a i g ht ne s s c o nt r ol s y s t e m i n c o a l mi ni n g f a c e，S O a s t o a c hi e v e s t r a i gh t ne s s c o nt r o l of h yd r a ul i c s u pp o r t ． U nd e r g r ou nd p r i nc i pl e e x pe r i me nt r e s ul t s s ho w t ha t t h e s ys t e m c a n e f f e c t i ve l y c o nt r o l r e l a t i v e po s i t i o n o f s u pp or t s a l o n g t he wor ki n g f a c e di r e c t i on， a n d s t r a i g ht ne s s c o nt r o l pr e c i s i o n r e a c he s 3 0 mm ， wh i c h c a n m e e t r e qu i r e me n t s o f s t r a i gh t ne s s c on t r o l o f c o a l m i n i n g f a c e． Ke y wo r ds f u l l y m e c h a ni z e d c oa l mi n i ng f a c e；hy d r a ul i c s u pp or t ；s t r a i g ht n e s s c o nt r o l ；l a s e r a l i gn m e nt S Pi “ 1 SO r 0 引言 煤矿安全规程 第 6 7条规定 ， 综合机械化采煤 时， 工作面煤壁、 刮板输送机和支架必须保持直线。 液 压支 架稳 步拉 移是影 响 工作 面直线 度控 制 的关键 因素 。 目前 ， 多数 矿 区主要 采用拉 线 管理 ， 即在 工作 面拉绳_ 1 ] 或打出一个红外光束等方式提供液压支架 推移定位标准， 以人工手动调整来实现工作面支架 和刮板 输 送 机 的调 直 。随 着 煤 炭 行 业 两 化 深 度 融 合 ， 综采工作面的 自动化 、 智能化水平 不断提高 ， 在 条件较好的矿区， 工作面采煤机采用 自动割煤技术 进 行 自动控 制 ， 液压 支 架 跟 随 采煤 机 实 现 位 置 自动 控制 ， 从而实现了生产过程 中工作 面少人化甚至无 人化。但是在工作面连续采煤多个循环后， 由于传 感 器误 差 和液压 支架 与刮 板输 送机 连接销 耳 间隙窜 动量的累积， 使得工作面的液压支架推移不齐 ， 刮板 输送 机直 线度无 法 保 证 ， 必 须 进 行人 工 调 整 后 才 能 继续 生产 。工 作面 连续 推进 过程 中直线 度控 制 的问 题 已成 为综采 工作 面无 人化 开采 的技术 瓶颈 。本 文 分析 了目前国内外实现综采工作面直线度 自动控制 的方 法 ， 并介 绍 了工作 面直 线 度 控 制 系统 的工 作 原 理 及设 计方案 。 1 技术 现状 目前 国内外 实现综 采工 作 面直线 度 自动控 制 的 方法 主要包 括 ① 采 用基 于陀 螺 仪 的惯性 导 航技 术 描绘采 煤机 行走 轨 迹 ， 采 用 液压 支 架 推 移 进行 刮 板 输 送机 姿态 修正 ， 从 而 实 现 刮 板输 送 机 的 直线 度 控 制 ， 在采 煤机上 安装 陀螺仪 可实 现采煤 机 自主定 位 ] 。该项技术由澳大利亚联邦科学 院研究并推 广应用 ， 在澳大利亚煤矿得到了广泛的应用， 但由于 陀螺仪 精度要 求 较高 ， 价格 昂贵 ， 目前 在 国内还没 有 相关的应用案例。② 通过相邻液压支架 的相对位 置感 知实现 工作 面 液压 支 架 找 直 控制 ， 通过 在 相 邻 支架 之间安 装位 移传感 器来 测量 液压 支架 之间 的相 对 位移 量l 5 ] ， 但 由于支架 之 间有 间隙 ， 存 在漏 矸 ， 传 感 器不 容易 安装 且 易损 坏 ， 另外 当采 煤 机运 行 速 度 达到 5 m 以上 时 ， 需 要 多 架 同 时移 架 ， 而 用 该 方 法 必须逐架依次移架 ， 无法满足工作面正常生产要求。 ③ 通 过寻 求 固定 的参 照点进 行移 架控 制 ， 在 液压 支 架上 安装激 光测 距 仪 ， 检 测 液压 支 架 相 对 于煤 壁 或 刮板 输送 机 的位置 ， 以消 除 液压 支 架 与 刮 板输 送 机 连接销耳之间的窜动误差 累积 ， 但 由于支架在移架 时会 出现 仰俯 或煤 壁 片 帮 不齐 等 问 题 ， 该 方法 实施 起来 也较 为 困难 。④ 在 刮 板 输 送机 上进 行 激 光 定 标 ， 在 工作 面建 立二 维坐 标系 ， 通过 高清摄 像仪 拍摄 图像 并 与标准 位置 图像 进 行 比对 ， 确 定 系 统 需要 调 整 的偏 移量 ] 。该 方 法存 在摄 像 仪 镜 头 污染 、 高 粉 尘环境下视频图像清晰度不高和摄像仪位置标定等 问题 ， 且 系统较 为 复 杂 ， 需 要解 决 的技 术 问题 较 多 。 ⑤ 按 照激光 对位 方式 ， 以完 成 移架 的支 架 位置 为依 据 ， 进行移架的激光对位。该方法具有 系统简单实 用 、 操 作方便 、 成 本低等 特点 ， 目前 还在试 验 阶段 。 2工 作原 理 采 煤 工作 面是 由多 台液 压 支架 依 次排 列 而 成 ， 液压支 架支 撑着 这 个狭 长 的采 场 ， 为 采 煤 区域 的采 煤机、 刮板输送机等设备提供 了一个作业空间。液 压 支架 与刮 板输 送机 互 为 支 点 ， 通 过 液压 支 架 的推 移动作实现工作面设备 和采场 的迁移 ] 。工作面 8 工矿 自动 化 2 0 1 5年 第 4 1卷 知距 离最 近 的已完 成移架 的支架控 制器 发 出激 光定 位信号。为保证接收单元能够可靠地接收到定位信 号， 发出的激光信 号为光栅式 的， 即信号为一条光 栅 ， 这样可确保动作架 的激光对位传感器能够接收 到支架定位信号[ 1 。基于激光对位传感器 的工作 面直线度控制系统如图 4所示 ， 其 中带箭头的虚线 为激光对位传感器发出的激光信号 。激光接收器由 接收 阵列组 成 ， 接 收 阵列 中 每 隔 3 mm 布 置一 个 光 敏接收信号单元， 即其测量精度 为 3 mm。激光对 位 传感 器可 以安 装 在液 压 支 架 立 柱 或 顶梁 上 ， 应 避 免线缆 、 胶管对激光信号的遮挡 。 图 4 工作面直线度控制系统 由于电液换向阀的滞时效应 ， 当电信号发出后 ， 支架停止动作还需要 1 0 0 ms 左右。因此 ， 液压支架 依据激光对位传感器控制支架步进时， 需要将 电液 阀滞时效应产生 的行程误差考虑进来 ， 进行提前控 制 。液 压支 架记 录本 次最 终完 成 的行 程 目标 与靶位 的相对 距离 ， 其 超 出或 不 足 的行 程 为超调 量 ； 将 超调 量发布到相邻支架控制器 ， 在进行支架移架时， 应使 相邻支架移架超调量正负抵 消， 最终保证支架移架 行程误差控制在有效范围内， 保证工作面 的偏移量 累积不超过工作面“ 三直两平” 的规定要求 。 为 了最 大 限度 地 保证 控 制 精 度 ， 可 以将 整 个支 架移架过程分为粗放式控制 和精 细化控制 2个 阶 段 。在粗 放式 控制 阶段 ， 电磁 阀一 直动作 ， 并 不断 检 测高精度传感器采集 的数据 ； 在进入精 细化控制阶 段时 ， 将 动作过 程切 为 时间 片 ， 按 照“ 动作 一 停 止 一 检 测” 的顺 序循环 执 行 ， 以提 高 控 制精 度 ， 同 时也 可 以 依据历史数据提前预控 ， 从 而实现工作面 自动调直 控 制[ 1 引。 4 结 语 我 国对于综采工作面直线度控制系统的研究刚 刚起步 ， 正在引进 国外成熟技术进行相关试验 。本 文介绍 了工作面 直线 度控 制 系统 的工作原 理及 设计 方案 ， 该 系统 已在 内蒙古 巴彦 高 勒 煤 矿进 行 了井 下 原理 性实 验 ， 实验结 果 表 明 ， 该 系 统能够 有效 地控 制 沿工 作 面走 向 的支 架 之 间 的 相对 位 置 ， 直 线 度 控 制 精度达到3 0 mm， 能够满足工作面直线度控制要求 。 综采工作面直线度控制系统的研究成功 ， 将为我国 综采工作面无人化开采的推广应用起到积极的促进 作用 。 参考文献 [ 1] 宋宏 雷 ， 张卫东 ， 位 建峰． 薄煤层液压支架定线移架 装 置研 究 与 应 用 [ J ] ． 煤 矿 现 代 化 ， 2 0 1 3 增 刊 1 1 1 2- 11 3 ． [ 2] 张斌 ， 方新秋 ， 邹永 沼 ， 等． 基于 陀螺仪 和里程 计 的无 人工作面采煤机 自主定位系统[ J ] ． 矿山机械， 2 0 1 0 ， 3 8 9 1 0 - 1 3 ． [ 3] 方新 秋 ， 何杰 ， 张斌 ， 等． 无人工 作面采 煤机 自主定 位 系统 F j ] ． 西安科技 大学学报 ， 2 0 0 8 ， 2 8 2 3 4 9 3 5 3 ． [ 4] 王虹． 综采工作面智能化关键技术研究现状与发展 方 向[ J ] ． 煤 炭科 学技 术 ， 2 0 1 4 ， 4 2 1 6 0 6 4 ． [ 5] 陈会 国， 赵江华 ， 梅雪峰． 综采工作面刮板输送机 的 自 动化 、 智 能 化 控 制 技 术 [ J ] ． 工 矿 自 动 化 ， 2 0 1 1 ， 3 7 1 2 2 8 3 0 ． [ 6] 余佳 鑫 ， 马鹏宇 ， 郭伟 文 ， 等． 综 采工作 面液压 支架 和 刮 板 输 送 机 自 动 调 直 方 法 及 系 统 中 国， 2 0 1 3 1 0 0 5 8 0 4 9 ． 8 l, P ] ． 2 0 1 3 0 5 2 2 ． [ 7] 林向东． 激光二维传感器测量直线度方法的研究 [ D - 1 ． 北京 北京 交通 大学 ， 2 0 1 1 1 4 1 ． [8 ] 牛剑峰 ， 李俊 士． 一 种带有 阵列 式接 近传感装 置 的工 作 面 液 压 支 架 及 其 直 线 度 控 制 方 法 中 国 ， 2 0 1 3 1 0 1 9 2 4 2 8 ． 6 l, P ] ． 2 0 1 3 0 8 1 4 ． [9 ] 牛剑峰 ， 魏文艳 ， 赵文生． 一种采煤工作面直线度 控制 方法 中国 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