探讨滚筒采煤机自动化与智能化控制技术及发展方向

李凯

摘要：煤炭对于一个国家的经济发展起着非常重要的作用，尤其是对于发展中国家，由于经济增长的需要，煤炭的需求量也会不断上升。鉴于当前煤炭在综采作业时使用到的各种自动化和智能化综采技术和综采设备的应用范围不断扩大，对综采工作面常见的几种智能化设备进行了介绍，多滚筒采煤机自动化和智能化控制关键技术和应用进行了阐述，最后对当前采煤及自动化的调高系统和滚筒采煤机自动化和智能化控制的发展方向进行了分析。

关键词：经济发展、煤炭综采工作面、液压支架、自动化、智能化、

1 引言

伴随着互联网技术的飞跃发展，带动了相关行业的技术出现了革命性的变化。尤其是在传统工业领域中，和互联网技术相结合后，给整个行业的技术带来了全新的变化。由于煤炭在地下较深处，需要使用到各种设备才能完成煤炭的开采。在煤炭开采过程中由于地理环境的特殊性，很容易引发安全方面的问题。因此，在煤矿综采工作面中使用各种自动化和智能化的设备，将会极大提高煤炭综采过程中的安全性，而且还会提升综采工作效率。

2 综采工作面常见的几种智能化设备

煤炭的开采需要使用到各种设备，这些设备并不是单一的工作，而实互相衔接，在整个综采中发挥着这关键的作用。当前综采工作面常见的几种智能化设备由如下几种：

2.1滚筒采煤机的智能化

滚筒采煤机是综采工作面中最常见的一种机械设备。与传统的采煤机相比，滚筒采煤机是在统一方向放置截割电动设备和双截割电动设备，它能解决传统采煤机在应用上的局限性。实际使用过程中，通过与自动化和智能化技术相结合，可以实现滚筒采煤机的人机操作、故障提前预判和智能保护等多种功能，以工控机为核心，实现开采过程中的自动化和智能化，从而提高了开采作业的安全性。

滚筒采煤机的自动化和智能化控制系统，是实现其智能化的核心所在。它是由工控机操作系统、动力系统和电气控制系统等部分组成，每个组成部分都发挥着不同的作用：工控机操作系统主要由电机智能保护装置、工控机、控制键盘和启动操作木块构成，是滚筒采煤机实现自动化和智能化控制的技术基础;动力系统主要由断路器、高压配电装置和电力变压器等组成，它为滚筒采煤机在操作自动化和智能化时提供足够的电力系统以及提供电力智能保;

2.2液压支架的智能化

将电液控制系统和综合液压支架进行结合，实现传感器、支架机械结构和控制系统的完美控制，从而实现液压支架结构的一体化和智能化。液压支架的智能化，不仅能大幅降低液压生产制造过程中的成本，更重要的是通过智能化技术的发展，实现对液压支架的远程控制。在液压支架的智能化技术应用中，最为关键的技术是远程控制系统。通过该技术能够在控制平台直接对液压支架控制台进行操作，并且结合工作面的各种实际工作环境完成一些列的辅助操作。不过在当前煤炭开采过程中使用的综采液压支架，虽然有部分功能实现了智能化，不过系统内部的电液控制系统和液压支架结构的技术融合仍有一定的发展空间;

2.3综采过程监控技术的智能化

由于煤炭综采过程的环境比较复杂，需要对综采过程中的环境进行准确把握，这样才能实现综采过程中的稳定性和安全性。通过使用视频监控技术建立一个三维状态的综采工作面并设定工艺过程，并对所有设备的工作以及实际采矿作业进行直观模拟。操作人员通过控制系统随时进入到系统中的任何区域，不仅能第一时间对所达到区域的工作状态进行确认，而且能随时把握各设备的运行状态，确保设备工作中的安全性和稳定性。再利用控制平台中的操作系统实现人和设备的互动，摆脱了时间和空间限制，极大地提高了工作效率。此外，通过对设备运行状态的监控，可以模拟其运行规律，并以此建立一个完全虚拟化的空间，该空间和现实开采中的空间状态非常接近，这样就能更加准确地对煤矿开采作业进行准确把握，实际生产中遇到的各种故障，可以通过该模拟系统进行方案的对策，从而实现生产流程的优化。

3   滚筒采煤机自动化与智能化控制关键技术及应用

滚筒采煤机自动化和智能化控制的关键技术主要包含以下五个方面：

①机载控制计算机技术

作为煤矿开采行业中当前所应用的具有较高的智能化和自动化控制的核心技术，通过机载控制计算机技术的应用，可以实现采煤机的一体化和自动化运行，并且能够有效保证生产过程中的稳定性和安全性。机载控制技术对滚筒采煤机的控制主要是从逻辑和反馈控制这两方面来实现。对煤矿开采过程中的设备温度、液压系统的压力、负载和流量等多方面因素进行监测和保护。同時对这些数据进行采集的过程中还能进行数据化分析，将监测到的数据制作成图形传递到人机交互界面，便于操作人员的迅速掌握设备情况，及时进行处理。

在记载控制计算机技术中，对整体采煤机的核心部分进行控制和保护时，主要体现在对单板机和工板机的控制。随着自动化和智能化的升级，已逐渐延伸到拓展功能。通过对单板机和工控机的相结合，使得整体记机载计算机系统能够在粉尘和较潮湿的恶劣环境中也能够获得很好的控制效果，从而提高了采煤机整体的适应性;

②截割高度和行走控制技术

为了更好地控制采煤机运行速度，关机在于截割高度和行走技术的控制。通过该技术，可以实现当前滚筒采煤机实现自动化的难题，其核心技术在于对采煤机的门沿界面进行自动识别。这也是当前各国研究的方向和重点。由于滚筒采煤机在自动调节本身运行速度和方向时，使用的主要方式为记忆截割技术。但是当前的技术还不能准确地识别煤层赋层的变化。另外，准确地控制采煤机的运行状态、运行速度和位置也是技术控制的关键。通过将多圈绝对型编码器安装在低速轴上，能够实现定位刮板运输机的准确定位。这样在复杂多变的煤层的工作面上就可以准确定地控制采高。通过三维空间建模模拟运行轨迹，实现液压支架和刮板输送机之间的顺利对接;

③远程通信和监控技术

由于煤矿的开采大多数工艺过程属于地下作业，这就要保障开采人员要一直处于安全的作业环境。由于地下空气的稀薄，以及易燃气体的产生，如果不遵守规范操作，很容易给作业人员带来安全隐患。另外，煤矿开采时也容易引起塌方事故。通过设备的自动化和智能化控制，并有效通过远程通信和监控技术，用机器代替人员进行井下作业，尤其是井下一些危险系数高的岗位，这样就能充分人员受伤事件的发生。机器在井下作业时，最关键的是要时刻对其进行监视。这就要使用远程通信和监控技术。操作人员只需要在控制中心通过屏幕实现人机对话，就可以对井下设备进行控制。在远程通信和监控技术中，由于要实施掌握井下开采作业情况，就必须采用较高宽带的光纤通信无线局域网技术。不过由于整个通信系统在工作面之上需要安装光纤通讯，需要考虑到大量的接入点等问题。因此，在滚筒采煤机控制过程中如果要很好地发挥远程通信和监控技术，还需要解决很多通信技术问题;

④各设备间的协同自动化控制技术

在工作面回采工作中，不是某个设备单一的工作，而是需要互相协调配合。比如液压支架、输送机和采煤机等设备的之间的互相结合。开采过程中需要及时将开采出来的煤矿输送至地面，因此，运输系统、液压支架和采煤机之间要协调配合，通过红外发射器的位置监测功能直接将传煤运输机的运行速度等数据利用通信系统发送到液压支架的控制系统中。当液压支架收到这些信息后，会自动调节采煤机的位置和运行速度。整个系统互相衔接，环环相扣，最终保证系统的稳定运行。

为了实现更高效的自动化回采工作，滚筒采煤机在控制本身行走截割速度中，由于工作面的系统运行本身能够承受一定的负载，它可以调节自身的移动速度，以确保整个系统具备高效率的生产，并且根据刮板输送机所传递的工作负载高低而制定不同的调节机制。这样就达到了根据负载情况来自动调节速度的灵活操作;

⑤对故障诊断和早期预警技术

不同于地上作业，地下开采过程中的任何一个环节，都有可能影响到整个开采过程中的稳定性和安全性。地下开采中设备的长期运行，难免会出现故障，除了定期的维护和更换零部件，从日常监控中的数据及早发现设备的运行异常，才能最大化保证各设备的运行安全性。当采煤机出现故障后先及时进行停机，通过一定的技术手段进行诊断，以计量减少停机时间。除此以外，为了实现早期预警，对系统本身控制模块进行工作，并对通信连接和传感器所监测到的数据进行比对分析，结合在线监测系统，早期发现设备的异常，这样能避免故障的扩大化。早期预警技术如果能够充分发挥作用，还能够最大化发挥设备的运行效率，给企业带来经济效益。

4   采煤及自动调高系统分析

在采煤机开采过程中，随着煤层厚度的变化，采煤机的滚筒也需要做出相应的变化。因此，需要采煤机调高机构能准确进行调高。由于开采的工作量大，煤层厚度变化的次数比较频繁，采煤机在开采过程中需要频繁使用调高机构，以准确调整采煤机的高度，适应煤层厚度的不断变化，不仅有利于采煤机的稳定工作，也有利于整个开采工作的安全性。自动调高系统顾名思义，就是面对不同煤层的厚度，通过采煤机的液压系统，对设备的调高机构按照事先设定好的逻辑关系进行自动化的调高。自动调高系统结合了采煤机的自动化和智能化控制技术，具有高精度的特点。

4.1自动调高系统的组成部分

自动调高系统一般来说有两个组成部分：一是记忆路径的跟踪，主要是指通过人对采煤机的操作，先对煤岩体进刀，在进刀过程中，可以通过自动调高系统对采煤机运行中的位置信息以及油缸传感器中的数据进行采集并进行保存。记忆数据库中这些数据会被调出来，并使用PLC控制器对采煤机的滚筒高度进行自动调节。此时油缸活塞的位移、信号驱动电液压换向阀的动作均已实现自动化控制，從而达到了自动调高的目的;二是能够自动适应调高。当遇到煤层厚度发生变化时，根据记忆路径的跟踪，PLC控制器对截割负载的异常状况进行判断，并进一步对驱动液压控制系统，实现滚筒的自动调节。由于记忆功能的存在，可以记录下滚筒高度调整的相关参数，以此作为下一刀滚筒自动调高的依据。通过上述两个组成部分可以准确定实现调高液压系统的自动控制;

4.2自动调高系统的工作原理

采煤工作面中会使用到多种设备，其中双滚筒采煤机是一种比较常见的采煤设备。它在工作时通过对切割部、摇臂以及机身自身的调节来实现滚筒的调高。随着技术的不断发展，调高方式也呈现处多样化化，不过究其根本原理，都是通过对活塞的伸缩来实现高度的调整。从调高的细节上来看，根据各调高的技术不同，调节驱动方式和调节的位置会有所不同。从目前采煤实际中所使用到的技术来看，摇臂调节因为灵活性强、准确度高、操作稳定等优点，是采用比较多的一种调高方式。摇臂调节是通过液压控制系统来实现高度的改变。当滚筒采煤机进行割煤的时候，采煤机中的电动机会调节油箱中的压力油进入液压泵进行调节。当调节结束后，压力又会又回到油箱;

4.3自动调高系统的作用

由于煤炭开采中面临的环境不仅油严重的粉尘污染，还有潮湿、噪声等因素，严重影响刀采煤机司机的的判断。这样就会造成采煤机的截割和顶底板位置的误判，使得采煤机滚筒高度调整的不合适，造成采煤机在工作中截齿的加剧磨损，从而影响到采煤机的寿命。而且在井下作业过程中产生的火花容易引起瓦斯爆炸;如果采煤机的滚筒位置偏低，当采煤机进行工作时，和煤层接触的较少，会影响到生产效率。而通过自动调高系统，能有效减少上述问题的发生，调高采煤的生产安全性，确保人们生命财产不受威胁。

5   滚筒采煤机自动化与智能化控制技术的发展方向

科学技术在不断发展，电子信息技术和自动化技术也得到了极大的提高。这些技术不断渗透到机械和电子设备的行业中，为工业的自动化和智能化提供了坚实的技术基础。在煤炭综采工作面领域，传统的机械设备和现代化的电子控制技术相结合，使得综采工作面变得越来越智能化和自动化，而且呈现出多样化的发展特点。从工作强度和工作负载方面来说，采煤作业中利用相应的识别控制方法来建立放煤模型，实现放煤自动化，从而减少了人力的付出，提高了工作效率和放煤的准确度;从对煤岩界面的识别响应性来说，通过使用无线电波和红外线等技术，提高传感器识别的分辨率，从而提高不同煤层时采煤机滚筒自动调高的响应性，这也是自动调高技术实现自动化控制的关键技术之一。另外，和雷达探测等技术相结合，不断提高工作面高度调整的准确度，这也是未来滚筒采煤机自动化和智能化控制的发展方向。

由于井下作业的特殊性，综采工作面巷道很难做到像地面那样宽敞，一般来说都是很狭窄，这种环境下不利于测量定位，因此会对采煤过程中的定位精确性造成一定的影响。为了消除这种不利影响，首先根据各装置的实际分布情况对调整定位装置进行合理的布置。抛开以往的对工作面直线进行检测的固定思维，对机械装置进行多样化的组合，提高检测数据的准确性和检测效率。对相邻的液压支架和刮板输送机的位置要准确定位，确保工作面运行过程中能在一条实现上，从而实现调直的目的。

对于智能化控制技术的发展，主要集中在综采工作面的液压支架能够对某单项操作和某些自动化功能实现连续不断的操作。这项技术所面临的挑战是顶底板的工作环境比较恶劣，影响支架的预期动作。改善对策为对自动化水平进一步强化，使得设备运行过程中能根据实际情况及时进行修正和调整，以消除采煤机和刮板机的不利影响。

6  结语

煤炭开采行业的历史比较长，在过去的若干年使用的开采技术都属于传统性技术，不仅影响工作效率，而且在安全方面也存在一定的隐患。通过智能化和自动化技术的应用，提高了采煤的整体工作效率和开采水平，使得煤炭开采这项劳动密集型产业转向技术密集型。随着电子信息技术的不断发展，煤矿开采领域将会使用到越来越多的智能化和自动化设备，不仅体现在硬件上，结合各种软件系统，将各系统之间工作高效地进行衔接，为煤炭企业的高效率开采和经济效益的发展提供扎实的技术支持。

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