采煤机记忆截割控制系统的研究与设计

韵 凯

（西山煤电（集团）有限责任公司，山西 太原 030053）

引言

实现采煤机的智能化是实现少人、无人综采工作面的关键环节，而采煤机记忆截割技术是关键技术之一[1-2]。采煤机记忆截割技术是基于采煤机司机正常截割煤壁时的示教数据，并根据关键数据点绘制顶底板曲线，进而控制采煤机截割滚筒按照顶底板曲线进行自动截割。采煤机自动截割时，采煤机司机可根据实际截割滚筒截割状态进行远程人工修正，以达到较理想的自动截割效果。采煤机每截割完一刀后，需要进行自学习，修正并优化顶底板曲线。国内较多的煤矿综采工作面加装了摄像头、传感器以及无线感知模块用于采集采煤机工作数据，为采煤机智能化、信息化提供数据支撑，但并未产生实质性效果，反而增加了采煤机外部设备的维护、维修工作。具有代表性的黄陵矿1001工作面的采煤机实现了人工远程干预+自动记忆截割控制模式，但是系统的稳定性和协同性有待提高，截割效果也有较大的提升空间[3-5]。

1 系统设计

采煤机记忆截割控制系统框图见图1，由传感器采集采煤机截割电动机温度、电流以及液压系统的油温、油压、油位、水流量数据经数据采集模块后以CAN总线通讯模式传送至主控制器；获取的传感器数据还包括采煤机位置、截割滚筒实时高度、截割滚筒倾角，动态掌握采煤机工作状态；采煤机牵引部由左右两台变频器分别驱动左右牵引电机，实现变频牵引。主控制器获取采煤机传感器数据、变频器数据、左右遥控器数据以及左右端头操作站数据后通过扩展的I/O输出点驱动接触器动作，进而完成对采煤机左右截割系统、破碎系统以及油泵系统的控制；同时将采煤机截割状态数据传送至人机界面实时显示；在远端设置远程操作平台，可完成远程监控以及关键动作的远程控制。

图1 采煤机记忆截割系统结构图

2 记忆截割方案的设计

2.1 人工示教过程

采煤机人工示教过程即人工学习过程，采煤机司机操作采煤机沿煤壁截割一刀，控制系统自动记录左右截割滚筒采高，绘制煤壁顶板、底板曲线。获取顶底板曲线方法有双刀前滚筒高后滚筒低采样、单刀向右采样以及单刀向左采样三种[8-10]。双刀前滚筒高后滚筒低采样时，需完成两个整刀过程，沿采煤机前进方向的截割滚筒抬高并进行割顶煤操作，后滚筒放底割底煤，沿前进方向割完一整刀后，反向再完成一整刀截割过程。采煤机处理左右端头时，停止数据采样，进行整刀截割时开始采样。该人工示教的优点为前后截割滚筒的数据相互独立，数据间的干扰较小且不影响采煤机司机的正常工作；缺点为耗费时间较长，即采煤机处理左右端头时消耗的时间较长。单刀向右采样时，采煤机最优的初始地址为工作面左端一个采煤机机身位置，向右割透煤壁后继续向右沿工作面截割煤壁，右截割滚筒抬高，左截割滚筒卧底，同时记录左右截割滚筒高度，绘制顶底板曲线。该人工示教的优点是耗时较少，避免了传感器安装误差和自身误差的影响；缺点是采煤机的初始位置选择较为关键，当采煤机初始位置位于工作面中部时，需上行、下行两个人工示教过程；另外，当截割滚筒数据的偏差较大时，该过程需人工调节。单刀向右采样过程与单刀向左采样过程相似，只是采煤机初始位置信息不同且运行方向相反。

2.2 自适应学习过程

采煤机记忆截割学习过程采用基于人工免疫算法，对人工示教过程采集到的截割滚筒采样点进行记忆获取和自适应学习；利用“排外”和“处理非我”的特性将严重偏离的采样点剔除，优化并绘制更加真实的工作面顶底板曲线。对非正常采样点进行筛取时，定义两个检测器，检测器一用于生成抗体，定义对采煤机截割滚筒采高为YN，前一点采高为YN-1，后一点采高为YN+1，定义前后两次采高均值为式（1）：

根据式（1）得到采煤机截割滚筒采高点亲和度集合式（2）：

当连续两个采高点数据偏差较大时，则该数据为异常数据[11-12]。对采高点异常数据可根据免疫算法进行修正，假设YN为异常数据点，YN+1为该点前一点采高值，YN-1为该点后一点采高值，则修正值可定义为式（3）：

如果出现连续个异常点时，则修正值可表示为式（4）：

式中：YN+P为前面第N个点的采高；YN-P为后面第N个点的采高。

采煤机记忆截割学习流程见图2所示，在人工示教阶段时，首先完成参数设置过程，其次完成传感器数据采集并根据结果绘制基础顶底板曲线并与远程监测摄像头绘制的真实顶底板曲线进行比较，如果数据差异过大，则进行人工修正；如果无法进行人工修正，则触发状态异常报警[13-16]；绘制的基础顶底曲线与真实顶底曲线差异不大或者经过人工修正后，即可作为采煤机自动截割的参考曲线。在学习阶段时，完成采煤机记忆截割系统参数设置后，启动自动截割过程，实时跟踪前后截割滚筒的采高并进行数据存储。

图2 采煤机记忆截割学习流程

3 应用分析

为验证设计并实现的采煤机记忆截割控制系统的实用性和有效性，在某煤机厂总装车间进行整机系统联调，试验用的采煤机机型为MG620/1660，其关键参数见表1。

表1 试验用采煤机关键参数列表

首先完成人采用单刀向右采样法进行采煤机截割人工示教，并绘制基础顶底板曲线，完成与真实顶底板曲线的比较和修正。在启动采煤机记忆截割过程时，设置采煤机记忆截割参数，见下页表2所示。按下“启动”键后，对采煤机记忆截割过程进行模拟测试。根据采煤工艺流程，分别进行单刀、双刀割煤测试，同时对截割滚筒上升、截割滚筒下降、采煤机牵引部自动切换方向等动作进行试验，同时记录并绘制采煤机前后截割滚筒高度曲线，与真实曲线以及记忆曲线进行比较，发现该记忆截割方案能够保证采煤机记忆截割安全、稳定运行，满足综采工作面采煤工艺流程，可达到预期效果。

4 结语

采煤机截割是动态、非线性、时变的复杂过程，基于免疫算法对采集到左右截割滚筒高度数据点进行分析和修正，优化顶底板曲线，为采煤机自动截割提供参考，实现记忆截割过程。文中给出采煤机记忆截割控制系统方案设计，重点分析了人工示教和自适应学习过程，并完成方案试验，试验结果表明了设计的采煤机记忆截割控制系统的实用性和有效性。