陈林
山西兰花科技创业股份有限公司唐安煤矿分公司, 山西 高平 048400
摘要：我国煤炭资源储量丰富，年开采量多年位居世界第一。随着科学技术的发展，煤矿的智能化开采已经成为了现阶段的主流方向。采煤机作为矿井开采的重要机械设备，其智能化开采是煤矿智能化的关键。只有实现采煤机的智能化开采，才能实现综采工作面的智能化。智能化开采对采煤机要求是可以随着煤层的赋存条件及开采的状态达到自动调节的目的。在采煤机智能开采的技术中，状态感知及智能控制是其核心的技术。
关键词：采煤机；智能化；控制系统；结构设计
引言
中国拥有较为丰富的化石能源资源，其中煤炭占主导地位，而石油和天然气资源存储量相对不足，煤炭产业的发展对中国工业发展的整体质量有直接影响。但由于采煤作业环境恶劣和采煤设备自动化程度低，稳定性差，导致劳动条件差、劳动强度高、重大恶性事故频发、生产效率低。因此，应用采煤机智能控制系统，对综采工作面实现自动化、少人化、无人化，提高生产安全性，提升综采作业的效率具有重要意义。
1采煤机概述
本文主要以电牵引滚筒采煤机为研究对象，该采煤机的实物结构如图1所示。采煤机主要由截割部、传动部、电气系统、液压系统及其他辅助系统组成。1）截割部为采煤机截割煤层的部件，其安装于采煤机两端，由截割电机控制。截割部由摇臂根据煤层高度控制其截割高度。一般情况下，采煤机左右截割部的旋转方向是相反的，其上安装的螺旋叶片的螺旋方向也是相反的。2）牵引部为控制采煤机前进的部件，其根据实际工况推进采煤机的运行。牵引部动力由其牵引电机提供并通过多级减速齿轮最终将动力传至行走箱。3）电气系统具有为采煤机的截割部和牵引部提供动力，并为截割部、牵引部等提供过载保护、报警的功能。电气系统中的变频器为采煤机的核心部件，基于变频器和相关控制系统能够根据采煤机截割部的受力情况控制截割部的动力大小，从而实现在保证工作面生产能力的同时达到节能的效果。4）辅助装置主要包括有底托架、电缆水管拖移装置、喷雾装置等。底托架与刮板输送机连接，为采煤机提供支撑；喷雾装置可降低采煤过程中粉尘、煤尘的浓度；电缆水管拖移装置可避免电缆和水管在拖移过程中出现弯曲和扭铰的事故。
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2采煤机的工作机理
随着煤矿采煤作业的自动化发展，“三机配套”作为整套综采设备的核心应用越来越广泛。其中，“三机”指的是煤矿综采工作面的采煤机、刮板输送机和液压支架，要求三者在性能、结构、强度和尺寸等方面必须相互适应和匹配，以确保综采工作面的最大生产力和安全。为了更好地实现采煤机智能化控制，需先了解其工作原理。本文以中部进刀法为例，对其工作过程进行简单描述，具体步骤如下：a)采煤机位于左端机头位置，输送机在工作面中部弯曲，采煤机快速空载至工作面中部；b)在输送机弯曲段开始切入煤壁，采煤机继续向左行进，右滚筒在上割顶煤，左滚筒在下割底煤，直至到达右端部；c)移直输送机，采煤机左滚筒升起，右滚筒降下，自左端部空载快速返回工作面中部；d)采煤机到达工作面中部后开始割煤，左滚筒在上割顶煤，右滚筒在下割底煤，直至左端部，右半段工作面输送机移近煤壁回到初始状态，开始下一次循环。
3采煤机智能控制系统结构的设计
为保障采煤机在高粉尘、强振动以及易燃易爆环境能够安全、高效运行，将其智能控制系统分为机载监测系统、顺槽监测系统以及地面监测系统。通过上述三个监测系统实现对采煤机运行状态的全面、有效的监测，且上述三个监测系统还具备相互通信、信息共享的功能。其中，机载监控系统与顺槽监控系统通过无线以太网进行通信，地面监控系统与顺槽监控系统通过有线以太网通信。机载监测为智能控制系统的主要监测手段，本文着重对机载监测系统的控制器及传感器进行选型。采煤机机载监控系统的功能为基于各类传感器对采煤机运行姿态和状态进行监测，并结合所采集到的信息和当前实际工况得出相应的控制指令，通过所得控制指令对采煤机滚筒截割高度和牵引速度进行智能控制。PLC作为采煤机机载智能控制系统的核心，其主要是对传感器采集到的参数进行处理。根据采煤机智能控制需求，考虑到PLC控制器的扩展功能和稳定性，选择PLC为西门子公司的S7-300PLC。根据采煤机的智能控制需求，为机载监控系统配置传感器的类型及监测对象如表1所示。
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4采煤机智能控制系统的控制方案
分析采煤机工作过程发现，采煤机中主要的2个参数是滚筒高度和牵引速度。因此，对采煤机开展智能控制可基于这两方面进行。其中，滚筒智能调高控制是采煤机以工作面为基准，根据煤矿煤层的变化自动进行调整，避免切割顶板、底板和岩石，提升采煤的实效性；牵引智能调速控制是采煤机沿刮板输送机行走时，根据不同工况条件、工作面煤质情况且在保证滚筒落煤和输送机装煤任务的前提下，自动设置采煤机的牵引速度，既可适应生产过程中发生的各种情况，又能充分发挥采煤机的生产能力。但目前国内外对于采煤机的自动调节并未实现精准、实时控制，导致采煤效率不高、稳定性不强，实际作业时无法满足复杂的工作情况。为此本文提出了一套采煤机智能控制方案，即作业人员操作采煤机进行作业，智能控制系统对采煤机工作姿态、滚筒高度和牵引速度等数据进行采集，利用智能算法预测下一刀工作轨迹；通过采煤机机身安装的各类传感器对采煤机运行状态进行采集、评价，查看采煤机状态是否异常。如果采煤机出现异常，则通过智能调速算法进行智能牵引调速，对其状况进行处理；如果采煤机仍处于异常状态，则需要滚筒调高和牵引调速两者共同作用。该控制方案不仅可以有效提高采煤效率，还可以保障采煤人员的安全。
5采煤机智能控制系统改造效果
通过对采煤机主控系统进行改造后，实现采煤机记忆割煤。记忆截割有两个过程，第一个过程先进行学习方式，即由采煤机司机根据工作面煤层高低起伏条件，割示范刀，控制系统将采煤机截割过程的采煤机位置、姿态、滚筒位置、牵引方向，牵引速度、电流、运行等信息存入计算机。第二个过程进入记忆截割模式后，采煤机运行动作和指令再现示范模式存入的运行信息，根据记忆的信息自动调节采煤机割煤高度和运行速度等。如煤层条件发生较大的变化，则由采煤机司机手动操作割煤（作为采煤机位置程序的微调）并自动记忆调整过的工作参数，作为以后采煤机切割时滚筒调高的参数。采煤机将在司机最小限度的干预下自动运行。记忆截割软件模块将液压支架姿态、刮板运输机姿态、采煤机姿态、当前工艺段区间设定值联合运算，将计算所得目标值通过顺槽终端下发到采煤机，配合视频监控及人工手动干预手段，进行采煤机滚筒高度、牵引速度、方向的智能调节控制。
结束语
针对目前采煤机自动化程度低、稳定性差、安全性低的缺陷，在分析采煤机工作原理的基础上，提出了一套采煤机智能控制系统控制方案，设计了控制系统的总体结构，并对各组分和工作原理进行分析，对于提升综合开采面的自动化程度、生产效率和安全性具有重要意义。
参考文献
[1]尹金元.采煤机智能控制关键技术的研究[J].机械管理开发,2019,34(11):208-209+244.
[2]刘建飞.煤矿井下采煤机智能综采控制系统的分析[J].机械管理开发,2019,34(09):260-261.
[3]李子彦.煤矿采煤机智能化关键技术探析[J].能源技术与管理,2019,44(04):151-153.
[4]王巍.“互联网+”采煤机智能化关键技术探究[J].化学工程与装备,2019(08):243-244.
[5]卢川川.采煤机智能控制系统的总体结构设计[J].矿业工程研究,2018,33(01):54-57.