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采煤机滚筒自动调高技术的发展及展望 张福建，董枫，刘振坚，项止武 天地科技股份有限公司上海分公司，上海2 0 0 0 3 0 摘要采煤机是井下工作自动化的中心环节。而采煤机滚筒的自动调高技术已经成为阻碍工作面自 动化发展的瓶颈。本文阐述了采煤机滚筒自动调高技术的发展历程，并提出国外的记忆截割法符合 国内实际，可以采用但需要加以改进。同时，本文还分析了自动调高技术中需要解决的问题和相关 研究热点。 关键宇采煤机；自动调高；记忆截割 T h eD e v e l o p m e n t sa n dp r o s p e c t so fA u t o m a t i cL i f t i n g T e c h n o l o g yo fS h e a r e rD r a m Z H A N GF u - j i a n ．D o N GF e n g , L l UZ h e n - j i a n , X I A N GZ h i - w u S h a n g h a iB r a n c ho fC h i n aC o a lR e s e a r c hI n s t i t u t e ，S h a n g h a i ，2 0 0 0 3 0 A b s t r a c t S h e a r e ri so n eo fk e yl i n k si nc o a lf a c ea u t o m a t i o n ．H o w e v e r ，a u t o m a t i c a ll i f t i n go f t h es h e a r e rd r u mh a sb e e nt h eb o t t l e n e c ki nd e v e l o p m e n to fc o a lf a c ea u t o m a t i o n ．I nt h i sp a p e r ， t h ed e v e l o p m e n t so fs h e a r e rd r u ma u t o m a t i c a ll i f t i n gt e c h n o l o g ya r ea r t i c u l a t e d ．A n dt h ea u t h o r s p o i n to u tt h a tm e m o r y ．c u tm e t h o di s s u i f a b l ef o rt h en a t i v ep r a c t i c eb u ti ts h o u l db ei m p r o v e d ． I nt h es a m et i m e ，p r o b l e m sn e e d e dt or e s o l v e ，a sw e l la sr e s e a r c hh o t s p o t s ，i na u t o m a t i c a ll i f t i n g t e c h n o l o g yo fs h e a r e rd r u ma r ea s l oa n a l y s e d ． K e y w o r d s S h e a r e r ；A u t o m a t i c a ll i f t i n g ；M e m o r y c u t 1引言 采煤机是综合机械化采煤工作面的主要设备之一，随着电力电子技术和计算机技术的日新月异， 国内电牵引采煤机迅速发展。国内的交流变频电牵引技术已经相当成熟。天地科技、鸡西煤机厂等 已研制成功总装机功率超过1 8 0 0 k W 的大功率采煤机，达到世界先进水平。然而，采煤机滚筒自动 调高技术却迟迟没有解决，成为严重阻碍工作面自动化发展的瓶颈。本文阐述了采煤机滚筒自动调 高技术的发展历程，并展望未来。 2国内外采煤机滚筒自动调高技术的发展历程 自从上世纪6 0 年代起，世界主要产煤大国如美国、英国、德国等都对采煤机滚筒自动 调高技术做了大量研究工作。从上世纪8 0 年代初期开始，国内煤炭高校和研究院所也在此 领域做了大量有意义的探索研究工作。采煤机滚筒自动调高技术的发展可以分为两个阶段 第一阶段主要着眼于煤岩界面的直接识别技术，这一阶段时间较长，理论和实际的研究成果 1 7 3 也较多。其中以自然Y 射线法、应力截齿法、雷达探测方法和红外法为典型代表。第二阶段主要针 对煤岩分界的间接识别方法，这一阶段以美国J O Y 和德国E I C K H O F F 的记忆截割法为典型代表。 1 煤岩分界的直接识别方法 图1 自然y 射线法原理 自然Y 射线 N G R 探测法‘1 1 【4 1 如图1 所示 根据顶底板岩石中的Y 射线在穿透残留煤层后 的衰减规律，通过测量经过衰减后的Y 射线强度来确定顶底煤层厚度，由此来识别煤岩界面【，】。英国 采矿研究院 M R D E 利用这种原理研制了7 0 0 0 0 一M I D A S 系统，并用于数十台采煤机上。中国矿业 大学 北京校区 也对这种方法进行研究1 3 , 4 1 ，制作了控制系统装在采煤机上，在山东、山西等地六 个矿做了工业性实验，并提出了自然Y 射线穿透顶煤后的衰减规律。虽然技术成熟并且对高瓦斯矿 特别合适，但是该方法要求留一定厚度的顶煤。这种方法对于页岩顶板有较好的适应性，而对于砂 岩顶板则适应性极差，只适合我国2 0 ％左右的矿井。因此，方法的推广使用受到了限制。 应力截齿法 如图2 所示 主要是指假设采煤机沿工作面运行时，滚筒上单个截齿在同一层面 所受的一连串作用力相同。当煤层起伏变化时，力模型将发生变化。利用力图位移 即相对于设定 位置的滚筒的位移 信号来控制滚筒的升降【3 1 。英国卡特各勒煤矿曾利用这个方案在采煤机上进行 了试验。由于应力截齿强度不够和应力信号的传输问题试验没有成功。太原理工大学陈延康教授在 假煤壁上开展了基于截齿应力分析的煤岩分界方法，建立了煤岩一采煤机相似系统的模型实验台， 并提出了相关的理论方法。 1 7 4 S 正常截齿 电磁感应线圈 雷达探测法‘3 1 是以电磁波传遍图2 应力截齿工作原理妇1f i - 应用前景的一项技术。电磁波穿 透顶煤的厚度与波长有关，波长愈长，穿透愈深，而波长愈长则测量的分辨率就愈低，测量范围和 测量精度的矛盾很难彻底解决。该方法只由美国矿业局做了相关试验，一直没有投入到实用中。 无源红外探测技术是近年来重点研究的煤岩界面识别技术。用高灵敏度的红外测温仪定向测量 截齿附近煤岩体的温度，由于煤岩物理特性不同，切割时产生的温度不同，据此来判断滚筒是否截 割到煤岩界面。其显著优点是能以各种坚硬顶板为观测对象，能够在接触顶板的瞬时采取正确的措 施。美国矿业局曾利用这种方法开发了一种无源红外煤岩界面探测系统，但是该方法仅仅停留在实 验室阶段，没有成熟的产品问世。 2 煤岩分界的间接方法 记忆截割法是由采煤机司机根据煤层顶底板起伏情况先操纵采煤机割一刀，控制系统将 相关信息存入计算机，以后由计算机根据存储器记忆的信息自动控制滚筒调高。如果煤层发 生变化，采煤机司机手动割煤，并自动记忆调整过的工作信息，作为下一刀滚筒调高的依据。 从原理来看，记忆截割是一种半自动调高。它要求煤层赋存稳定，引进的S L 5 0 0 和7 L S 型 采煤机均采用此技术。 3 结语 采煤机滚筒自动调高技术方法众多。国外积累了丰富的实践经验，掌握相关核心技术。我国在 这个领域起步较晚，与国外差距较大，没有成熟的产品问世。必须走高校、科研院所和采煤机厂共 同研究的道路，才能在采煤机滚筒自动调高技术方面有所突破。 3 采煤机滚筒自动调高技术的发展展望 目前唯一在市场上推广使用的自动调高技术的只有记忆截割法。然而，该方法对地质条 件要求较高，已知信息利用较少，司机手动操纵较多。其优势并不明显，大面积推广使用不 切实际。因此，笔者认为我们可以借鉴记忆截割法。同时，加以改进，以适合更多的工矿 1 7 5 条件。 1 高性能控制器的应用 目前，国内绝大部分电牵引采煤机的主控系统采用P L C 控制，只有极少数如天地科技 上海分公司的M G 7 5 0 ／1 8 1 5 一G W D 型交流电牵引采煤机采用D S P 的分布式控制系统。采煤机 滚筒实现自动调高，需要采样并处理大量数据，外加控制和通信的需要，传统的P L C 几乎 很难胜任。与传统P L C 相比，D S P 控制器 以T I 系列为代表 采用哈佛结构，主频高、片 内资源丰富、多路A D 采样、接口丰富便于扩展，存在通用优势。同时，以D S P 控制器为控 制核心的控制板接线少、体积小，方便用户集成和安装。D S P 控制器会给采煤机滚筒自动调 高技术带来新的活力。 2 适合矿井使用的传感器的应用 无论哪一种采煤机滚筒自动调高方法都和传感器息息相关，离开了传感器，控制就无从谈起。 即使是煤岩分界间接识别方法的记忆截割法，也需要以倾角传感器和位移传感器为后盾。采煤机对 传感器提出了很高的性能和质量要求。首先，井下环境恶劣，水雾、灰尘较多、电磁干扰较大，要 求传感器具有较强的抗干扰能力。其次，煤层中含有瓦斯，要求传感器具有防爆功能。再次，传感 器要有足够的精度。最后，井下空间狭小，要求传感器体积小，便于安装和信号的引出。市面上的 传感器几乎都不能完全符合以上要求。选择合适的高精度的传感器并加以改造，或研制适合井下采 煤机使用的矿用传感器将会成为下一个研究热点。 3 新型控制策略的应用 本文前面曾提N ； t - 国进口的S L 5 0 0 、7 L S 采煤机中采用的记忆截割法，只利用一次有用 信息，需要手动调节的次数仍然不少。高性能控制器的使用将使得有机会获得更多的有用的 采煤机滚筒的位置、高度信号。如何有效利用这些信号是一个重点，也是一个难点。目前， 智能控制在控制领域应用相当广泛。而预测技术在经济、电力系统等行业也应用较广。利用 这些方法，选择合适的控制算法对已获得的信号进行处理，使得采煤机滚筒调高系统具有一 个预见系统，降低采煤机司机手动操纵的次数。可以预见，采煤机滚筒自动调高控制策略的 研究将日益受到人们的关注。 4 结语 采煤机滚筒自动调高技术经过几十年的发展，国内外积累了大量的理论、实际经验。但 是没有很理想的产品问世。随着井下工作面自动化进程的加快，采煤机滚筒自动调高技术将 1 7 6 迅速发展。 参考文献 【1 】．王增才，徐建华，王泉夫著自然Y 射线煤岩界面识别机理及采煤机摇臂自动调高项煤厚度检测 技术。中国矿业大学出版社，2 0 0 2 年8 月 [ 2 】．李春华，刘春生采煤机滚筒自动调高技术的分析。工矿自动化，2 0 0 5 年8 月 【3 】．任芳基于多传感器数据融合技术的煤岩界面识别的理论与方法研究。太原理工大学博士论文， 2 0 0 3 年6 月 【4 ] ．张俊梅，范迅，赵雪松采煤机自动调高控制系统研究。中国矿业大学学报，2 0 0 2 年7 月 作者简介 张福建 1 9 8 2 一 ，男，2 0 0 4 年毕业于中国矿业大学，现为煤炭科学研究总院上海分院在读硕士 研究生，主要从事采煤机电气控制等方面研究工作。 采煤机滚筒自动调高技术的发展及展望采煤机滚筒自动调高技术的发展及展望 作者张福建， 董枫， 刘振坚， 项止武 作者单位天地科技股份有限公司上海分公司,上海,200030 相似文献10条相似文献10条 1.期刊论文 刘春生.侯清泉 采煤机滚筒自动调高记忆程控再现模式 -煤矿机电20045 论述了记忆程控再现滚筒调高的一种控制模式,提出依据多样检测的信息综合给出自动修正调节控制量的思想方法,具有实用性、控制灵活和实现智 能化,是目前较理想的采煤机滚筒自动调高技术方法. 2.学位论文 梁义维 采煤机智能调高控制理论与技术 2005 煤炭是我国的主要能源，煤炭开采综合机械化及其工作过程自动控制成为煤炭工业增加产量，提高劳动效率，减少重大恶性事故和改善劳动条件的 重要手段。采煤机及其控制系统是煤炭开采过程的主要设备，采煤机的工作过程包括滚筒调高和牵引控制。在采煤机的工作过程中，根据采煤工艺、煤 层与煤岩界面状态以及支护要求调整采煤机滚筒高度，通过牵引运动后，旋转的滚筒即可切割出一定位置和形状的顶、底面，即得到特定的截割路径。 截割路径直接决定产品质量含矸量与资源回收率，因此，采煤机合理的调高策略与先进的控制技术研究是一个受到广泛关注的重要问题。 目前 ，采煤机的滚筒调高多采用人工观测为依据的手动调整或人工调整试切割基础上的几何轨迹记忆切割。人们也尝试过在采煤机上安装传感器进行煤岩界 面识别，然后根据此信息直接进行滚筒高度的反馈控制，试图实现采煤机滚筒自动调高。但是，由于煤层地质结构的复杂性和煤岩界面识别的技术问题 ，加之还要考虑综合采煤机械化对顶、底板的要求，这种基于简单反馈控制的滚筒自动调高技术没有得到成功的应用和推广。 为了在综合考虑各 种因素的基础上，实现以提高产品质量与资源回收率为目标的采煤机滚筒高度自动控制，作者提出以切割状态切割煤或岩辨识为基础，并与采空区及 巷道顶板信息相融合，进而预测煤岩界面，最终实现滚筒路径优化与自动调高的控制策略。为此，进行了一系列理论与实验研究，得到较好的控制效果 ，为采煤机滚筒智能调高控制系统设计提供了理论依据。 本项目研究的基本思路是在采煤机上配置相应传感器采集信号后进行煤岩界面识别 ，将该信息与巷道顶板信息、采空区顶板信息进行融合。然后，把融合后的信息追加到“历史顶板”数据库，利用该数据库的内容预测工作面前方煤层 的顶板状态，根据预测的顶板信息、煤质要求和支护要求优化截割路径，以获取最大资源回收率和最好的产品质量。最后，利用设计的控制器实现滚筒 对优化路径的跟踪。随着工作面的推进，已知信息不断增加，预测信息越来越可靠，因此降低了对煤岩界面识别的依赖性，增加了系统的鲁棒性；而且 ，考虑煤层赋存条件和采煤工艺等约束条件，增加了系统的实用性。 为实现上述方案，在现有的基于多传感器信息融合的煤岩界面识别技术的基 础上，本文重点开展了以下理论和技术的研究 1采煤机智能调高系统体系结构的研究 在详细分析采煤机智能调高系统功能及其复杂性的 基础上，提出系统的结构体系采用适于复杂问题求解的黑板结构。该体系由黑板和煤岩界面识别、煤岩界面预测、滚筒截割路径规划和截割轨迹跟踪等 四个工作模块组成，黑板中记录各工作模块所需的各层次的信息及其结果，各工作模块采用异步并发工作方式工作； 2煤岩界面信息融合和预测 方法研究 在煤岩界面信息融合和预测工作模块中，首先，将巷道煤岩界面信息和采空区的“历史顶板”数据库信息利用神经网络进行融合，然后 ，利用D-S证据理论对上述融合后的信息和煤岩界面的识别结果进行再融合，融合后的信息追加到“历史顶板”信息库中，利用追加后的“历史顶板”信 息库信息借助神经网络对工作面前方煤层进行煤岩界面预测。通过对复杂地质构造煤层的煤岩界面仿真研究表明1神经网络信息融合方法可以以较高 的精度描述煤岩界面，但对原始信息的误差比较敏感。2通过D-S证据理论信息再融合可减小误差，精度满足工程需要。3随着工作面的推进，预测误差 减小。 3滚筒截割路径规划理论与方法研究 在滚筒路径的规划工作模块中，通过浮点编码的遗传算法对具有褶皱、断层和陷落柱等地质构 造的工作面的滚筒的路径优化。结果表明该方法可以实现复杂地质构造下的滚筒的截割路径的优化。 4采煤机调高液压伺服系统研究 在 路径跟踪工作模块中，通过对液压伺服的滚筒调高系统的运动学和动力学分析，设计了基于反馈误差学习算法的神经网络自适应控制策略，计算机仿真 和实验室试验表明控制结果优于传统的PID控制器，系统具有良好的动态特性。使用直线插补方法，采煤机试验机跟踪了设定的目标曲线，结果表明跟 踪精度满足工程需要。 在目前研究的基础上进行进一步的工业试验，开发适应井下环境的采煤机调高控制系统是作者研究的下一个目标。 3.会议论文 刘春生.侯清泉 采煤机滚筒自动调高记忆程控再现模式 2004 论述了记忆程控再现滚筒调高的一种控制模式,提出依据多样检测的信息综合给出自动修正调节控制量的思想方法,具有实用性、控制灵活和实现智 能化,是目前较理想的采煤机滚筒自动调高技术方法. 4.期刊论文 梁义维.熊诗波.任芳.李文英 基于网络的采煤机智能调高系统的黑板体系结构 -煤矿机械20027 分析了目前滚筒自动调高系统存在的问题,提出基于分布式黑板体系结构的自动调高系统,构建了系统的框架,提出各个部件的功能、结构和自动调高 系统的实现. 5.学位论文 蔡桂英 采煤机滚筒调高模糊控制器的设计与仿真 2008 实现采煤机滚筒的自动调高，即滚筒能够按照煤岩分界曲线割煤，是缩小国内外采煤机自动操纵差距的关键技术之一，是实现采煤工作面生产过程 自动化的重要环节，并且对提高煤炭生产质量、提高生产效率、延长机械装备寿命、提高设备可靠性、保障工人安全具有重要意义，对采煤机械的智能 化控制以及煤炭工业的发展有较大的促进作用。 本论文研究的是基于模糊控制的采煤机滚筒调高记忆程控的模式及其应用系统，是一个基于嵌入 式平台的智能化控制系统。本文概述了采煤机滚筒自动调高煤岩分界技术发展的历史、研究现状、国内外的差距和趋势；介绍了记忆程控的原理、位移 采样周期，并以正切进刀法为例，对采样数据的采集、存储进行了说明；根据调高控制系统的特点和设计要求，探讨了适应于采煤机滚筒调高控制系统 的控制算法。在对采煤机滚筒调高系统分析的基础上，通过建立采煤机滚筒调高系统的数学模型，结合模糊控制理论和MATLAB 软件，制定了采煤机滚筒 调高控制系统的模糊控制规则。利用MATLAB仿真软件对设计的模糊控制系统进行了仿真，结果表明性能良好。对不同调控条件下的控制系统进行了仿真 ，仿真结果说明设计的控制器能够满足不同条件的要求，具有良好的动态特性和稳态特性；最后对控制系统的软硬件系统进行了设计，对操作系统进行 了简略介绍。 6.学位论文 杨秋 基于模糊控制采煤机滚筒调高记忆程控的研究 2007 实现采煤机滚筒的自动调高，即滚筒能够按照煤岩分界曲线割煤，是缩小国内外采煤机自动操纵差距的关键技术之一，是实现采煤工作面自动化的 重要环节，并且对提高煤炭生产质量、提高生产效率、延长机械装备寿命、提高设备可靠性、保障工人安全具有重要意义，对采煤机械的智能化控制以 及煤炭工业的发展有较大的促进作用。 本论文研究的是基于模糊控制的采煤机滚筒调高记忆程控的模式及其应用系统，是一个基于嵌入式平台的 智能化控制系统。本文概述了采煤机滚筒自动调高煤岩分界技术发展的历史、研究现状、国内外的差距和趋势；介绍了记忆程控的原理，确定了位移采 样周期，并以正切进刀法为例，对采样数据的采集、存储进行了说明；根据调高控制系统的特点和设计要求，探讨了适应于采煤机滚筒调高控制系统的 控制算法。在对采煤机滚筒调高系统分析的基础上，通过建立采煤机滚筒调高系统的数学模型，结合模糊控制理论和MATLAB软件，制定了采煤机滚筒调 高控制系统的模糊控制规则。利用MA-TLAB仿真软件对设计的模糊控制系统进行了仿真，结果表明性能良好。对不同调控条件下的控制系统进行了仿真 ，仿真结果说明设计的控制器能够满足不同条件的要求，具有良好的动态特性和稳态特性；最后对控制系统的软硬件系统进行了设计，给出了系统存储 器、通讯、人机交互和驱动电路的接线图，模糊控制规则查询表流程图和主程序流程图，并对操作系统进行了简略介绍。 7.期刊论文 李春华.刘春生.LI Chun-hua.LIU Chun-sheng 采煤机滚筒自动调高技术的分析 -工矿自动化20054 滚筒自动调高是实现采煤工作面自动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. 8.期刊论文 刘阔.刘杰.李勇.尹力.LIU Kuo.LIU Jie.LI Yong.YIN Li 采煤机记忆截割的轨迹拟合 -煤矿机电 20083 记忆截割是采煤机滚筒自动调高的主要方法之一.研究实现采煤机记忆截割的数学模型,选择最佳轨迹拟合算法,并用Matlab进行了虚拟仿真. 9.学位论文 张伟 基于采煤机DSP主控平台的自动调高预测控制 2007 煤炭井工开采中，最核心设备是工作面的支架、运输机和采煤机。采煤机是较复杂的、属于技术含量较高的核心机电设备。为了煤炭生产的安全、 高产和高效，目前已经实现了支架运输机的联动自动化，而采煤机还没有实现联动和自动驾驶。 采煤机自动驾驶中已实现了行走自动化，目前最需要解 决的是滚筒调高自动化。本文就该课题展开了研究。 关于采煤机自动调高的研究，国内外自上世纪七十年代就开始了，主要集中在煤岩分界方法和传 感器研发制造方面，而随着电子通信技术的发展，采煤机的主控系统平台也在升级换代，因此出现了在高性能微机控制平台上实现的记忆截割等技术 ，实际上类似于现代机器人原理。国内采煤机目前也实现了主控系统的升级换代，尤其以我公司的基于DSP技术的主控系统平台为典型。本课题围绕国外 记忆截割原理，加以消化改进，在该平台上以模块化的方式进行实现的。 本文在模型建立和系统实现中也引入了一些新方法，具体研究如以下几方面 所述 首先整理综述了采煤机滚筒自动调高的历史研究状况，分别介绍了各类方法的优缺点，针对技术的发展，提出了新的解题思路。 其次选择现 代通用总体布置的采煤机，对其滚筒调高方式进行数学建模。然后针对实际工况的各种干扰情况进行改进，确定了较符合实际的调高数学模型，同时为 各类研究方法提供了一个理论依据。 第三，根据采煤机姿态控制的需要，梳理了矿用传感器的选择原则。通过方案对比，选择采用了倾角和位置等传 感器，通过样机试用取得良好效果。此外针对部分传感器还进行了零点修正和温度补偿，从而建立了采煤机的姿态检测系统。 第四，提出按照预测控 制MAC模型进行调高控制，详细阐述了控制策略设计要点，并引入了灰色预测模型对预测反馈通道进行建模。根据需要，采用改进的灰色预测模型进行采 高预测。该模型除了引入工作面采高信息，还特别引入了已成巷道的煤层高度信息进行运算，通过对比运算，以调整次数较少而优于国外的记忆切割法 。 最后结合采煤机DSP主控系统的开发，引入同类型DSP芯片进行调高模块功能实现设计。文中详细分析了DSP芯片的功能特点、各类接口、设计及 PCB制作要点。此外对系统方面、预测模型算法等进行软件设计并单机调试。通过硬件设计和软件调试，完成了主控系统中调高模块的设计、制作和实验 室验证。 本课题研究表明，结合现代DSP开发技术和预测控制理论的应用，采煤机滚筒自动调高技术可望取得跨越式进步，能够在复杂的采煤工作面得 以实现。 10.期刊论文 张俊梅.李文彬.范迅.康风义 基于单片机的采煤机自动调高控制系统 -工矿自动化20041 以自然γ射线煤岩界面识别传感器煤厚测报模型为基础,对采煤机滚筒自动调高控制系统进行了设计,主要确定了系统的调高方案、硬件组成及控制 器设计,为实现采煤机自动化建立了控制理论模型. 本文链接 下载时间2010年3月5日