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智能化采煤系统架构及关键技术研究刘承虎

发表时间：2020/9/29 来源：《基层建设》2020年第17期作者：刘承虎张明玉刘康张建

[导读] 摘要：中国作为煤炭能源大国，实现煤矿综采工作面的自动化、智能化和无人化，对保障作业人员的人身安全和工作效率具有重要意义。

        山东省济宁市微山县付村镇高煤公司山东济宁 277600
        摘要：中国作为煤炭能源大国，实现煤矿综采工作面的自动化、智能化和无人化，对保障作业人员的人身安全和工作效率具有重要意义。采煤设备作为工作面关键装备之一，直接影响了整个综采工作面的安全性和工作效率。本文提出了采煤智能控制系统控制方案，在此基础上设计了采煤智能控制系统的总体结构，为中国煤矿综采自动化作业提供了重要参考。
        关键词：采煤；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。在现代矿业生产过程中，采煤是一种不可或缺的机械设备。现代信息技术、自动化控制、人工智能等现代科技的迅速发展，为采煤的自动化、智能化发展提供了有效的支持。新时期，将采煤这一传统机械与自动化控制、智能化控制等新兴技术有机融合起来是推动矿业现代化发展的重要途径。文章主要对采煤自动化及智能化控制技术的相关问题进行了分析，希望可以为相关研究及实践提供有效的参考与指导。
        1采煤的工作机理
        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）采煤位于左端机头位置，输送机在工作面中部弯曲，采煤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。
        2采煤智能控制系统的架构控制关键技术方案
        分析采煤工作过程发现，采煤中主要的2个参数是滚筒高度和牵引速度。因此，对采煤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，又能充分发挥采煤的生产能力。但目前国内外对于采煤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智能控制方案，即作业人员操作采煤进行作业，智能控制系统对采煤工作姿态、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；通过采煤机身安装的各类传感器对采煤运行状态进行采集、评价，查看采煤状态是否异常。如果采煤出现异常，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。本文所提出的采煤智能控制方案需建立在采煤采集到正确和完善的数据基础之上，因此如何精确、实时地获取这些数据对采煤的智能控制具有重要意义。采煤机载控制器采集到的数据主要有采煤的工作姿态、滚筒高度和各部件工作运行情况。针对传统频率采样法采集到的信息存在可能遗漏关于煤层分布重要信息的问题，本方案中机载控制器采集到的特征点包括常规特征点、关键特征点和异常特征点。常规特征点等距离地设置在采煤行进方向上，关键特征点在作业人员亲自操作时生成，异常特征点即采煤存在异常的点。利用常规特征点、关键特征点和异常特征点共同描述煤层分布，在全面、详细反映煤层分布情况的前提下，减少了数据量，降低了存储量。同时，本方案为了避免传统预测方法的不足，对煤层分布情况进行预测时采用了4种神经网络对其进行预测。

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        （1）非线性：非线性是自然界的普遍特征。由阈值神经元组成的网络具有更好的性能，可以提高网络的容错性和存储容量。
        （2）无限制性：神经网络通常由多个连接广泛的神经元组成。
        （3）非常定性：人工神经网络具有自适应、自组织和自学习的能力。
        （4）非凸性：在一定条件下，系统的演化方向取决于特定的状态函数。
        3采煤智能控制系统总体结构分析
        由于采煤工作环境恶劣，为了保证作业人员的安全，将采煤智能控制系统分为机载控制和远程操作，使工作人员在地面便可以远程操作采煤，实现采煤。为了解决这一问题，本文设计了采煤智能控制系统的总体结构。利用机载监控系统实现机载控制，采用地面监控系统实现远程控制，利用顺槽监控系统将这两种系统连接起来，连接方式为，与前者通过无线交换网络传输信号，与后者通过光纤以太网相连。
        3.1采煤机载监控系统
        采煤机载监控系统主要包括机载控制器、各类传感器设备和本安型无线交换机。首先利用各类传感器对采煤工作姿态、运行情况、截割数据、牵引速度和各类工况信息进行采集，然后通过机载控制器对数据进行分析处理、状态评价和故障处理或接收远程指令。由此可以看出，采煤机载监控系统起着至关重要的作用。为了使其能够稳定工作，在硬件上选用SIMATICS7-300系列PLC。采煤整个智能控制的前提是能够实时获取截割部分、牵引速度、电气设备和各部件的工作情况。本文设计的采煤智能控制系统通过设置各类传感器形成全面的传感系统，为采煤智能控制奠定了基础。综采工作面采集到的数据需要通过顺槽监控系统上传。为了实现这一目的，在液压支架与顺槽顶板之间安装了本安型转换机。当一个节点出现通讯故障时，交换机可以越过此节点，与下一个节点通讯，降低了无线通讯的故障率。
        3.2采煤顺槽监控系统
        采煤顺槽监控系统作为中间媒介，一端连接采煤机载监控系统，另一端连接地面监控系统，实现数据的上传下达，使3个系统之间可以有效联系和相互协作。采煤顺槽监控系统主要通过WinCC监控、视频监视和三位虚拟实现数字化监控平台监控综采工作面的工作情况，然后处理和传输获取到的数据。
        3.3采煤地面监控系统
        利用有线以太网，顺槽监控系统将获取的数据传输到地面监控系统；地面监控系统再对其进行分析，发出指令。对于地面监控系统，为了实时掌握综合开采工作面地下作业情况，通过综采工作面视频监控平台，将井下传输来的画面显示在顺槽监控中心的电脑上。
        4结语
        针对目前采煤自动化程度低、稳定性差、安全性低的缺陷，在分析采煤工作原理的基础上，提出了一套采煤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：
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        ［2］钱鸣高.煤炭的科学开采［J］.煤炭学报，2010，35（4）：529-534．
        ［3］韩欣玲.我国煤炭企业安全生产的政府监管研究［D］.开封：河南大学，2012．
        ［4］煤矿采煤机自动化控制系统的研究和设计[J].薛瑞梓.机电工程技术.2019（12）
        ［5］采煤机自动化及智能化控制技术[J].刘文科.电子技术与软件工程.2019（24）