自动化采煤控制系统研究

赵海鹏

（山西煤炭进出口集团，山西太原 030006）

0 引 言

随着煤矿产量的逐渐增大，综采工作面的长度也逐步变长，为了提高采煤效率，对综采自动化技术的要求也越来越高[1-3]。现有的液压支架电液控制系统大多只支持就地控制，即通过某一台支架控制器控制附近液压支架完成动作，液压支架移动速度较慢，难以对采煤机割煤后的采空区及时支护[4-5]。随着工作面液压支架的数量增多，工作面需要的操作工人也更多，这与综采工作面少人化或无人化的趋势相违背，因此自动化采煤机控制技术的研究十分必要[6-8]。

1 自动控制系统总体方案设计

图1 自动化采煤控制系统结构

自动化采煤机系统结构示意图如图1所示。自动化采煤是将采煤机运行位置作为液压支架动作的重要参考，及时支护采空区以及为采煤机下一步的运动提供合适的轨道，所以实现综采工作面采煤自动化的关键是实现液压支架的自动化控制，液压支架的自动化动作是由端口控制器以及集控计算机通过远程控制完成的。支架控制器通过双RS485总线与端头控制器通信，两条RS485总线分别负责数据的上传以及控制命令的下达，从而保证通信冗余和实时性。支架控制器通过接收采煤机发出的红外信号来判断采煤机位置，通过位移传感器和压力传感器实时监测液压支架的立柱压力和移动距离，并将这些液压支架的实时参数上传至端头控制器，端头控制器再将这些信息转发到集控计算机。集控计算机在采集到这些参数信息后一方面会实时显示，另一方面集控计算机也对这些参数进行分析，选择合适的工艺流程，并将工艺控制命令发送至端头控制器，端头控制器根据工艺控制命令将具体动作命令发送给特定编号的液压支架控制器，支架控制器通过电磁阀组控制液压支架完成相应动作。

2 自动化采煤工艺分析

为保证采煤过程的高效、安全，本文作者在参考综采工作面生产要求的基础上，设置了16个控制工艺段。在不同的工艺段采煤机和刮板输送机、液压支架以不同的方式进行配合，从而实现工作面的自动化采煤。工作面的宽度、长度、倾角、采高可以通过煤层三维模型确定。在确定液压支架宽度、数量，采煤机运行速度以及摇臂长度，建立液压支架和采煤机的运行模型，模型中以刮板输送机的机头作为起点，液压支架和采煤机的运动位置都可以用液压支架累计推镏距离x和液压支架编号y进行确定，即每一个位置都有唯一对应的坐标（x，y）。

2.1 采煤机自动控制工艺

采煤机的位置是由液压支架累计推镏位移x和监测到采煤机红外信号的液压支架编号y共同确定的，集控计算机通过采煤机的位置信息在采煤机运行数据库中搜索对应的煤层高度，并通过煤层高度计算出采煤机摇臂所需要调整的高度，从而可以自动控制采煤机摇臂高度。

2.2 液压支架自动控制工艺

支架控制器将采煤机位置以及自身运行状态发送至端头控制器，端头控制器将信息进一步上传至集控计算机，集控计算机根据液压支架的运行参数和状态发出相应的控制命令，这些控制命令通过端头控制器下达至具体编号的支架控制器，由支架控制器控制相应液压支架完成动作。

为控制命令的准确性，将控制命令的数据帧分成7部分，分别是：支架编号，即被控液压支架的编号；动作代码，表示液压支架需要完成的动作类型；推镏行程，表示液压支架推镏时候推移千斤顶的位移；拉架行程，表示液压支架在拉架过程中推移千斤顶的位移；初撑压力，液压支架在升架过程中，触碰到顶板后达到初撑压力时应停止升架；极限时间，即液压支架完成规定动作的最大时间。

液压支架动作采用双闭环控制，示意图如图2所示。液压支架在升架过程中得到规定的初撑压力以及在推镏过程中达到规定的位移行程即停止动作；同时液压支架如果在规定时间内未能完成动作，也要停止动作，防止由于设备故障造成的更大损失。液压支架在动作完成后会将当前立柱压力和位移行程上传至端头控制器，由端头控制器通过与控制命令的对比判断液压支架是否动作到位，如果达到控制命令规定的压力和位移行程，则发送下一个控制命令，如果没有动作到位，则对相应液压支架进行动作修正。

图2 双闭环控制模式示意图

由于煤矿工作面环境较为恶劣，地质条件较为复杂，液压支架在动作过程中可能会因为煤层阻力或者设备阻碍导致无法动作到位，如果液压支架经过3次控制仍无法完成规定动作，端头控制器即发出故障报警并上传至集控计算机，工人在得到故障报警后进行故障排查。

3 自动化采煤控制工艺应用

图3 中间段割煤示意图

图4 刮板输送机机尾斜切进刀示意图

图5 割三角煤示意图

根据自动化采煤工艺对工作面液压支架进行区域划分，包括推镏安全区域q，护帮板动作安全区域c，以及ASQ（降架—拉架—升架）动作安全区域m，同时定义采煤机长度d，以及弯曲段长度k采煤机运行方向由L表示，L=1表示采煤机正向运行，L=-1表示采煤机反向运行，其中刮板输送机机头到机尾为正方向，反之则为反方向。

在考察综采工作面实际生产情况之后对运行参数进行如下设定：q=12，c=6，m=8，d=11。下面是3个典型工艺段的工作流程。

（1）中间段割煤如图3所示。图中采煤机从61号液压支架出开始向左割煤，采煤机控制器控制采煤机调整摇臂高度，进行自动割煤。采煤机向左割煤的极限是前滚筒达到2号液压支架，此时采煤机的中心对应的8号液压支架，即采煤机中心位置经过的范围是8≤P≤61。在采煤机运行前方的6台液压支架在接收到端头控制器的命令后开始依次收护帮板和伸缩梁；采煤机运行后方的8台液压支架在收到端头控制器的命令后，开始依次进行降架—拉架—升架动作；采煤机运行后方的12台液压支架在收到控制命令后需要完成推镏动作，当液压支架的推移千斤顶的位移达到控制命令的规定值时，即停止推镏动作；采煤机运行后方的6台液压支架在接收到护帮板控制命令后，控制液压支架伸护帮板和伸缩梁，及时支护采空区。

（2）刮板输送机机尾斜切进刀如图4所示。图中采煤机从92号液压支架运行到112号液压支架。为了能够使采煤机顺利进刀，从98号到108号液压支架应进行成组推镏动作，形成弯曲段，每一台液压支架的推镏行程为（n-98）/10 m，其中n=98，99，…，108。采煤机运行后方的8台液压支架“降架—移架—升架”动作，采煤机运行后方的12台液压支架执行推镏动作。

（3）刮板输送机机尾割三角煤示意图如图5所示。在割三角煤的过程中，控制系统并不发布任何命令，采煤机只需按照原有轨道向右运行即可。

4 结论

（1）参考现有综采工作面采煤工艺，提出自动化采煤控制方案，实现压支架和采煤机的自动化控制，提高综采工作面的自动化程度和采煤效率。

（2）为保证自动化采煤控制系统的稳定可靠，提出双闭环控制模式，支架控制器实时监测液压支架的状态信息并将数据上传至端头控制器。端头控制器在接收到集控计算机工艺命令后，将相应控制命令下传到特定编号的支架控制器。