采煤机滚筒自动调高技术的分析.pdf

第4期 2005年8月 工矿自动化 Industry and Mine Automation No. 4 Aug. 2005 技术交流 文章编号1671 - 251X200504 - 0048 - 04 采煤机滚筒自动调高技术的分析 李春华, 刘春生 黑龙江科技学院,黑龙江 哈尔滨 150027 摘要滚筒自动调高是实现采煤工作面自动化的关键技术之一,其核心是煤岩分界识别技术。采用记忆 智能程控为主与传感器煤岩分界为辅的综合识别技术,不仅可弥补单一传感器识别所带来的稳定性、 可靠性 差和精度低等问题,又可避免记忆程控过于依赖人的行为所带来的不及时和随机现象。此种技术方法适用 于大功率自动化采煤机,是首选的调高方法。 关键词滚筒采煤机;自动调高;煤岩界面传感器;记忆程控;综合识别 中图分类号TD679 文献标识码B Analysis of Automatic Lifting Technology of Shearer Drum LI Chun2hua , LIU Chun2sheng Heilongjiang Institute of Science and Technology , Haerbin 150027 , China Abstract Automatic lifting of shearer drum is one of key techniques of coal face automation , and its core is identification technique of coal and rock interface. As the matter stands , the combined identification gives first place to the technique of memory program2control with intelligent , and coal2rock interface sen2 sor is regarded as auxiliary. It is supplemental inferior stability and reliability and accuracy to single sensor identification , avoiding memory program2control too dependent human to set off hysteresis and random phenomenon of sampling. This suits to powerful automatic shearer. Key wordsshearer drum , automatic lifting , sensor of coal and rock interface , memory program2con2 trol , combined identification 收稿日期2004 - 12 - 18 作者简介李春华1959 - ,女,黑龙江尚志人,教授。1982年 毕业于阜新矿业学院电气自动化专业,1996年获哈尔滨工业大学工 学硕士学位,现主要从事自动控制及计算机应用方面的教学和科研 工作,已发表学术论文18篇。 0 引言 目前国内生产的采煤机在结构布置、 性能参数 及部件的形体尺寸等方面与国外先进水平有着明显 的差距,在自动化方面所采用的自动控制技术、 传感 器技术、 计算机技术、 设备工况监测及故障诊断技 术、 自动调高技术、 自动操纵、 远程通信和集中控制 技术等方面也存在着一定的差距。国内的主要采煤 机生产企业研制大功率自动化电牵引采煤机时,应力 求在自动控制技术、 自动调高技术等方面有所突破。 1 国内外采煤机自动调高技术现状 研制出工作可靠、 有一定分辨率的煤岩分界识 别传感器,是实现采煤机滚筒自动调高的关键,国内 外在此领域做了大量有意义的探索和实际应用的研 究工作。目前已有了20余种煤岩分界传感机理和 系统,诸如记忆程序控制系统,振动频谱传感系统, 天然γ射线传感器和控制系统,机械传感器测力截 齿煤岩分界技术 , 同位素传感器,噪声、 红外线、 紫 外线、 超声波和无线电波传感器,雷达探测,采用导 电率测定方法,利用热中子激化现象的传感器等等。 有的已用到生产实际,有的正处在试验研究阶段,也 有的经实践未获成功。其中记忆程控系统发展较 快,是 目 前 国 外 主 要 机 型如7LS6、SL500和 EL3000型采煤机所采用的技术方法。近年来总 的发展趋势是将具有一定分辨率的煤岩传感器结合 计算机控制,组成煤岩分界传感装置及煤岩分界识 别系统。自80年代初期开始,国内的一些煤炭院校 就采煤机滚筒自动调高技术做了卓有成效的工作。 关于记忆截割技术进行了研究,但未能应用到实际 中;振动测试和频谱分析的煤岩识别技术,通过测试 调高油缸的液压振动负载来辨识煤岩分界,进行了 实验室试验和理论的研究工作;天然γ射线的煤岩 识别技术,80年代后期进行过理论和实验研究,由 于探测器的实用性等原因,未能取得突破性进展。 目前国内在开发大功率电牵引采煤机时,拟采用记 忆程控调高控制技术,其技术关键在于控制策略和 位置定位传感器。 自动化采煤工作面依赖于采煤机自动控制技术 和工况监测及故障诊断技术、 采煤机自动调高控制 技术、 液压支架电液控制技术、 刮板输送机的直线控 制技术、 顺槽集中控制技术等等,构成机电一体化无 人或少人的综合机械化采煤自动化技术。在 “十五” 期间我国确立了自动化工作面关键技术的研究方 向,如采用现代信息处理技术和传感器技术,对不同 煤岩介质的电参数特征、 煤岩界面电磁波传输机理、 红外视频或热释电探测器等方面进行煤岩分界测试 原理的研究;同时研究摇臂角测量控制摇臂高度技 术,使采煤机滚筒自动跟踪煤层变化。从获取煤岩 分界信息的原理可将自动调高方法分为两类,如图 1所示,一类是直接方法a 通过传感器直接与煤 岩介质相互作用获取煤岩分界信息;另一类是间接 方法 b 通过检测采煤机的机构或系统的工作参 数和信息来判断煤岩分界。 图1 煤岩分界原理 2 煤岩分界的直接方法 2. 1 天然γ射线煤岩分界系统 这种方法的核心是用碘化钠等晶体制成的γ射 线探测器。探测器将接收天然顶底板岩石放射的γ 射线并转换成电信号,γ射线探测器接收γ射线的 强度与探测器和顶底板的距离、 顶底板预留煤皮厚 度有关,煤皮越厚顶底板岩石的放射线穿过时被吸 收得越多,γ射线探测器接收的γ射线强度越小,γ 射线探测器利用此原理实现煤岩分界识别。80年代 初,英国采矿研究院MRDE取得了突破性进展,利 用煤岩天然γ射线差异原理研制出了70002MIDAS 系统,在英国已用于数十台采煤机上。此系统只适用 于煤层粘顶能留住100～150 mm煤皮的工作面,显 然丢掉了一些采高,在英国以外未能推广。80年代 后期我国进行了该方法的实验研究,取得了令人满意 的阶段成果,于1991年通过阶段成果的技术鉴定。 2.2 同位素传感技术煤岩分界 根据放射线同位素康普顿效应的原理,如图2 所示,当同位素射线通过不均匀的物质时,射线损失 一部分能量后往各个方向散射,但散射的波长增加, 散射的强度与传感介质的密度和厚度成正比。因 此,根据煤和岩石的密度不同一般是1.3∶2.1来 识别煤和岩石。煤的厚度增加时,入射的γ光子与 煤的电子碰撞后损失的能量就减少,散射的γ光子 的强度按煤皮厚度成比例地增加,根据给定强度就 可控制煤皮的一定厚度。放射源一般用同位素镅 241或铯137来放射γ射线,γ射线通过煤和岩石散 射后经过盖革 米勒计数管记录粒子的数量,该数 量与煤皮厚度成正比,并产生与煤岩分布情况成比 例的尖形脉冲信号,经过脉冲整形后为矩形脉冲,再 经放大器进入积分器,将脉冲信号变成与脉冲成线 性比例的直流电压信号,再经放大使继电器动作,去 控制调高系统的电磁阀来进行自动调高。西德 Eickhoff公司曾研制出同位素煤岩分界传感器,在 英国、 西德、 波兰和前苏联进行过试验,但以后未能 得以推广使用。 图2 同位素传感器工作原理 2. 3 用天线互阻抗技术进行煤岩分界识别 雷达探测煤岩分界识别被认为是很有应用前景 的一项技术。最初的研究主要集中在视频脉冲、 脉 冲多普勒和调频波技术在煤岩分界识别方面的应 用。由于这几项技术分辨率低,并需预先测得煤的 介电常数,为此,提出了用合成多普勒技术进行煤岩 分界的识别。合成多普勒雷达在进行识别时考虑了 煤的介电常数,把煤的介电常数作为未知参数处理, 但实际的空间电磁场还受煤的导电率和岩石的介电 常数影响。在90年代国内提出了用天线互阻抗技 942005年第4期李春华等采煤机滚筒自动调高技术的分析 术进行煤岩分界识别的传感机理,即用天线互阻抗 法综合考虑了煤的介电常数、 导电率以及顶岩介电 常数的影响,相比之下更接近实际工况。如图3所 示,天线1、2在自由空间下进行标定,测量互阻抗。 然后将两天线置于采煤工作面中,此时当天线1发 射时,空间将产生由煤 空气界面反射形成的附加 电磁场。附加电磁场由顶煤厚度h1、 煤介电常数 ε2,、 煤导电率σ以及顶岩介电常数ε3决定。在此条 件下测得互阻抗,并消去自由空间下的标定的互阻 抗就可得到由散射引起的附加互阻抗。另一方面, 取不同的参数h1、ε2、ε3、σ计算出理论附加互阻抗 值,计算结果按不同h1、ε2、ε3、σ取值编成四维数组 表,将四维数组表存入计算机中。在实际工况下,将 测得的附加互阻抗同计算机中的数组表作相关分 析,取相关值最大的一组对应参数,由此就可确定该 时刻的顶煤厚度,识别出煤岩分界。 图3 用天线互阻抗技术的煤岩分界原理 2. 4 测力截齿煤岩分界传感器 测力截齿的作用原理如图4所示,测力截齿的 齿尖略高于正常截齿S。当在煤中截割时,两个截 齿受力相同。而在刚刚截割顶板或底板时,即在截 割煤岩分界处,因测力截齿齿尖高于正常工作齿,而 先截割岩石,因此,受力大于正常截齿。此时有两种 方式向外发出信号,一种是在测力截齿2的齿身上 装有测力传感器,齿身应力变化的结果导致传感器 向外发出变化的信号;另一种方式是当测力截齿2 受有较大的截割阻力后,齿身倾斜,接近线圈3 ,则 能向外发出变化的信号。不论那种方式,只要有信 号发出,即可实现采煤机滚筒高度的自动控制。 图4 测力截齿工作原理 2. 5 用弹性振动的方法监控煤岩分界 前苏联在二十世纪70年代研究了利用各种形 状和材料的弹性振动杆,作为煤 岩监控装置的感 受元件,在与各种煤岩相接触时,其自由弹性振动的 衰减程度有明显的差异,其系统的实验原理如图5 所示。利用托架将振动杆固定在实验台上,它对煤 试样的压力由测力计监控,电信号以等于振动杆固 有频率的频率从信号发生器通过开关发送给振动杆 的变频器。从第二个变频器取下信号,再发给放大 器、 示波器和电子伏特计,测定了输出信号的电压 级。固定在托架上的振动杆压到煤试样或岩石试样 上,用示波器记录振动杆与各种试验材料接触时的 振动衰减曲线。研究的结果金属振动杆接触煤试 样和岩石试样时,其纵向机械振动的衰减速度有较 大差异,因此有理由认为,可以利用这一现象远距离 判断煤和岩石。利用此原理可以研制出一种专门的 煤岩分界传感器。 图5 弹性振动实验原理 3 煤岩分界的间接方法 3. 1 记忆智能程控煤岩分界系统 西德在80年代中期利用采煤机行程位置显示 和微机存储记忆原理开发出了记忆割煤行程自动调 高系统。记忆截割的工作方法是由司机操纵采煤机 沿工作面煤层高低起伏条件先割一刀,控制系统将 行程位置存入计算机,以后的截割高度均由计算机 根据存储器记忆的工作参数自动控制滚筒调高,如 煤层条件发生变化,则由司机手动操作割煤作为位 置程序的微调 , 并自动记忆调整过的工作参数,作 为下一刀滚筒调高的工作程序。这种方法是一种可 由人工干预的自动化操纵方式,司机可任意调整摇 臂的位置而不受记忆数据限制。目前该技术已在德 国、 美国等生产的采煤机上使用。记忆智能程控煤 岩分界识别及控制系统,是一种基于位置传感器和 计算机记忆截割的技术,采煤机都装备有位置传感 器、 同步位置传感器、 油缸行程传感器等,通过计算机 的记忆储存及自动控制实现采煤机滚筒的自动调高。 3. 2 基于截割力分析的煤岩分界辨识 在二十世纪90年代,国内针对截割力制导系统 05工矿自动化2005年8月 进行了理论和实验研究,即一种基于截割力信号分 析的煤岩分界辨识及滚筒调高控制系统。为实现采 煤机滚筒高度的控制,对截割状态做出估计和判断, 即截煤状态、 截岩状态、 由截煤到截岩的过渡状态、 由截岩到截煤的过渡状态。其理论方法应用最小 二乘原理对采煤机截割力信号的离散序列进行处 理,可以得到每一个观测周期描述采煤机截割状态 的优化模型,利用该模型可以对采煤机在观测周期 中的截割状态做出判断。由于采煤机的截割负载状 态十分复杂,有一定程度的不确定性,为此,应用模 糊集理论判别截割状态,实现煤岩分界的在线辨识, 通过软件简称FSDR实现基于模糊集理论的煤岩 分界在线辨识及滚筒高度实时控制。另外,将煤岩 分界辨识和记忆程序控制结合在一起的采煤机滚筒 高度自动控制系统,采煤机按记忆程序自动跟踪前 一刀运行,同时识别本次截割的煤岩分界,修正滚筒 高度和记忆程序,作为下一刀滚筒垂直高度的参考。 根据这种控制算法设计的煤岩分界在线辨识和滚筒 高度实时控制软件简称MFIC。FSDR和MFIC软 件在采煤机相似模型上进行了截割假煤岩壁试 验,试验取得了满意的结果。 4 结语 除上所论述的系统外,还有利用红外传感器测 量截割煤岩时截齿的齿尖温度来识别煤岩,及紫外 线、 超声波和高频电磁波传感器等等,但都未成功地 应用于实际。各种方法都有一定效果,但由于井下 煤层和围岩条件十分复杂,又都难以准确、 可靠地判 断煤岩分界。近年来由于微机能力不断提高,多数 专家倾向于采用多种传感器取得多参量信号,利用 微机软件综合对比信息处理,给出调整滚筒高度和 卧底量的指令。在现阶段的技术应用水平,采用传 感器煤岩分界识别与记忆智能程控相结合的方法, 不仅可避免以往只采用传感器识别带来的不稳定 性、 不可靠性和低精度,又可避免记忆程控依赖人的 行为而带来的不及时性和随机性。笔者认为,就目 前来说,尤其是国内在研制大功率自动化采煤机时, 应优先考虑采用这类组合形式,加大力度进一步研 究组合式调高技术方法,其组合方式如表1所示。 表1 记忆程控系统的组合方式 组合方式 主导方法辅助方法 信号来源方式 记忆智能 程控系统 基于测力截齿的 煤岩分界识别 测力截齿受力产生的弹性变形 调高油缸的负载油压变化信号 基于截割阻力的 煤岩分界辩识 截割电动机的电流或功率信号 用二者的信号组合来综合辩识 基于截割牵引负 载的综合识别 截割电动机功率信号、 牵引电动 机功率信号牵引速度和牵引力 和调高油缸压力信号的综合 参考文献 [1] 刘春生.滚筒式采煤机理论设计基础[M].徐州中国 矿业大学出版社,2003. [2] 张俊梅,李文彬,范 迅,等.基于单片机的采煤机自动 调高控制系统[J ].工矿自动化,2004 ,1 6～8. 第4期 2005年6月 工矿自动化 Industry and Mine Automation No. 4 Jun. 2005 文章编号1671 - 251X200504 - 0051 - 04 煤矿计量系统的分析与设计 任永昌1, 韩宇新2, 王金泉3 1. 辽宁工学院计算机科学与工程学院; 2.辽宁工学院经济管理学院,辽宁 锦州 121001 ; 3.兖矿集团东方电气技术研究所,山东 邹城 273515 摘要指出了分散式手工管理计量的种种弊端,设计了一种网络化计量管理系统,给出了计量器具自动 采集数据的方法等。着重阐述了遵循 循环式运动规约 通过计算机串口采集数据及还原成电度值的方法。 关键词煤矿;计量系统;检测点管理模式;循环式运动规约;计量网络图 中图分类号TD672;TP393 文献标识码B 收稿日期2005 - 01 - 31 作者简介任永昌1969 - ,男,讲师,现在北京交通大学攻读博 士学位,已发表论文30余篇。