采煤机记忆程控滚筒调高控制策略分析

2010-08-15范红斌

科技传播 2010年22期

范红斌

山西晋煤集团金鼎公司，山西晋城 048000

0 引言

由于采煤机的牵引方向和牵引速度是变化的，若采用常规的等时间采样周期不符合实际工作环境，可能导致滚筒高度采样点数据不均匀，而且上一刀的采样数据作为下一刀的控制依据不能对应等现象。因此，本课题通过分析采煤机滚筒调高记忆程控的基本原理，采用密采稀存的方式，主要是通过长间隔根据采煤机移动位移作为采样尺度，以尽可能小的控制系统及尽可能小的存储空间达到采煤机位置姿态检测存储的目的，进而通过控制系统提取上次或首次的存储数据，来控制电磁阀通断的次数和通断的时间，最终控制采煤机滚筒的当前姿态，以达到提高采煤机回采率和生产效率的目的[1，2]。本文主要探讨了采煤机记忆程控滚筒调高控制策略相关问题。

1 记忆程控调高的基本原理

采煤机滚筒截割记忆程控调高的基本原理：它是由司机操纵采煤机沿工作面方向的煤层高低起伏条件先割一刀，滚筒调高的控制系统将采煤机的行程位置、滚筒的高度位置，采煤机的工作姿态、牵引方向和牵引速度等信息存入到计算机中，以后的滚筒截割高度均由计算机根据存储器记忆的工作参数，自动调高滚筒的位置高度。若有煤层条件发生变化时，则由司机手动操作割煤（作为位置高度的微调），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。这种方法是一种还可以人工干预的自动化操纵方式，司机可任意调整滚筒（摇臂）的位置而不受记忆数据的限制。

截割记忆程控的特征是预知控制结果的再现控制，控制的精度和可靠性取决于采样记忆的信息量和准确程度。与截割记忆程控相关的信息有：采煤机的运行状态（采煤机的牵引方向、牵引速度和换向、斜切进刀的往复牵引、空行程调动等）；采煤机在工作面方向的运行位置（由行走距离传感器检测）；滚筒高度位置的定位采样（由摇臂摆角传感器或调高油缸行程位移传感器检测）；采煤机的空间姿态（采煤机沿工作面走向的纵向倾斜角度、沿工作面推进方向的横向倾斜角度）。工作姿态的参量同时反映了输送机推移状态，如飘底和啃底的影响，并综合反映了滚筒位置高度的调整结果。

记忆程控的技术方法具备有限的自动修正功能，是目前优先考虑的滚筒调高方法，国外早已经把它应用于实际当中，在国内神华集团有限责任公司也正在研究此项自动调高技术，并致力于应用到实际中。但顶、底板发生变化时，还是得靠人为手动调节。对井下煤层和围岩的复杂条件，特别是遇到较复杂的地质条件时，单一的方法难以准确、可靠地判断煤岩分界，尚需进一步研究采用传感器和辩识系统取得多参量信号融合，近年来随着微机能力不断提高，多数专家和学者倾向于利用微机软件和智能算法，进行综合信息对比处理，再给出调整滚筒高度和卧底量的指令，最优的来控制滚筒调高。从现有的实际应用情况来看，基于记忆程控煤岩分界识别及控制系统，在性能参数、自动化技术上都处于世界领先水平。

采煤机截割记忆程控模式，主要涉及了计算机采样检测和存储、灰色预测理论、液压控制、计算机仿真等学科，对采煤机的运行位置、牵引方向、牵引速度、摇臂位置或滚筒高度及机身煤层走向和倾向进行多参数检测、识别和信息综合。采样存储采煤机先前的采煤数据，进行计算机仿真分析，进而控制采煤机滚筒的调高，使采煤机最大效率地采煤。该系统的研制成功，将有助于提高我国采煤机自动化水平，缩短我们与先进国家在采煤行业的差距。

2 控制策略的确定

2.1 单片机的应用

采煤机滚筒记忆程控控制器由单片机、通讯接口、D/A转换器、A/D转换器和输入接口等组成，通过通讯接口和采煤工作面主控箱保持联系，A/D转换器检测信号经单片机运算后输出控制信号至D/A转换器。采煤机滚筒高度自动跟踪装置的数据采集、处理与输出这些控制过程，可以由8051单片机最小系统完成。原产品的大部分逻辑控制电路可以简化或去掉。控制逻辑尽可能转换成软件逻辑，使外部电路只剩下必不可少的驱动线路。

控制器及所组成系统的设计原则：第一，稳定性和可靠性：模拟量输入级的性能直接影响到整个系统的技术指标，必须从开始就要考虑应用现场的环境情况，采取相应的抗干扰措施，注意元器件的老化和筛选并选择恰当的硬件参数，防止串扰及误差的积累与扩展。整个设计充分考虑简化硬件电路，使用集成度高的元器件，提高器件组装密度，以增加系统抗干扰性能，达到高的稳定性和可靠性。第二，速度与精度：根据所给的整机误差限值，按一定的规则预分配各个部件模块所允许的误差。系统设计过程中根据分配的允许误差选定电路结构、元器件性能。第三，功耗与大容量数据存储：功耗是硬件设计时必须考虑的问题。元器件的选择都是在能满足性能要求的前提下，选择较好性价比的低功耗元器件。在控制系统的工程应用中，为获取数据的最佳资料信息，采集数据、中间数据及现场简易分析结果都需要保存，1片32MB的NAND Flash作为数据存储区，以满足较大容量数据存储的需要。

不同的记忆截割方法采用不同的控制策略，这里采用的是采样数据的完全再现模式。即在记忆截割工作期间，采煤机完全再现滚筒首次截割工作状态，包括计算机储存的相关信息参数：采煤机在工作面的位置（x=n△x）、采煤机的姿态（采煤机工作面方向倾角α和工作面推进方向倾角β）、滚筒的截割高度HT（XK）、采煤机的牵引方向、牵引速度Vq。每次截割工作循环的采样数据都成组存储到计算机里，记为：{ XK，Hi（Xk），θi（Xk），αi（Xk），βi（Xk），Vq}，作为下一次或几次截割循环的控制量。每当采煤机换向截割时，都需要司机手动操作完成。

2.2 记忆程控数据存储的方法

在采煤机的截割工作过程中，需要记忆存储工作截割状态的各种信息。采煤机滚筒调高记忆截割数据的存储，按照不同的类型，可以分为不同的存储方法。

比如按采煤机记忆截割的总存储长度可分为：单向记忆截割存储方法和双向记忆截割存储方法；按记忆截割数据的完整性程度可分为：完全记忆再现控制的存储方法和不完全记忆再现控制的存储方法。

这里应用各种高精度的位移传感器，采集双向工作循环相关完整截割工作参数，由采样间隔确定数组的个数，然后以数组的形式成组存储到计算机中。因为采煤机的牵引速度是变化的，所以在每一个采样间隔内，系统采用密集采样稀疏存储的方法，达到了节约存储空间和提高运算、调用速度的目的。系统以等位移采样间隔作为采样周期，使滚筒调高至前次截割记忆高度时，采煤机更准确地到达记忆的采样间隔点，其误差控制在一个小的计算机密集采样周期内，最终实现了采煤机滚筒的记忆程控再现。