采煤机自动化自整定控制系统的设计及效果分析

常映辉

（1.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西 太原 030051；2.煤矿采掘机械装备国家工程实验室，山西 太原 030051）

引言

随着采煤技术的不断发展应用，自动化采煤成为矿井生产开采的主要形式，极大地提高了煤炭开采的效率及安全性[1]。采煤机作为煤矿综采的主要设备，主要进行煤岩的截割及装煤工作，其自动化程度及控制的精度对自动化综采的实现具有直接的影响[2]。采煤机在煤岩截割的过程中，由于受煤岩地质条件的变化，对采煤机采高及牵引速度的自动化调节的精度具有较高的要求[3]。针对采煤机的控制系统，采用记忆截割、自整定控制的方式进行控制，并搭建自动化的控制系统[4]，提高采煤机的自动化控制水平，从而为自动化综采的实现奠定基础，提高煤矿开采的效率及安全。

1 采煤机自整定控制器的设计

采煤机在综采过程中进行煤岩的截割及装煤作业，由于煤层地质分布的变化，采煤机截割过程中的采高及牵引速度要进行实时的调整，以适应煤层的变化提高采煤机的截割效率。采煤机常规的控制方式采用PID 控制[5]，这种控制方式通过比例、积分及微分常数的调节实现对采煤机采高及牵引速度的反馈调节，这种控制方式能够提高系统控制的精度[6]，具有良好的反馈效果，但在煤矿开采的过程中，由于调节过程的随机性，PID 系统控制的非线性表现不足，且对系统随机变化的响应时间较长，不能满足系统的实时性调节需求。针对这一问题，采用PID 控制方式与其他的控制算法进行组合控制，从而提高系统控制的效果。

自整定控制方式在控制过程中不需要获取采煤机控制对象的运动特性，依据采煤机运行过程中的工程经验数值进行控制参数的赋值[7]，在控制系统的运行过程中对控制参数进行调整，从而实现提高控制精度的效果。采煤机自动化控制系统依据控制器的控制信号进行采煤机的截割及牵引机构的调节[8]，实现不同煤层地质条件的采煤机自动控制。

采煤机控制器依据运行参数进行自整定控制，从而提高采煤机控制的速度及准确度，自整定的PID 控制器作为控制系统的核心部分，通过对传感器数据的采集分析与经验值进行对比分析，对采煤机执行机构的数学模型进行辨识求解[9]，从而实现对采煤机参数的自动调整。在MATLAB 软件中进行自整定系统的结构设计如图1 所示，采用自整定的Autotuning 模块实现采煤机的自整定控制。

2 采煤机自动化自整定控制系统的设计

采煤机的自动化控制主要针对牵引机构及截割结构的运行参数进行调节控制，牵引机构主要实现对牵引速度及行走方向的控制，截割机构主要实现截割速度及滚筒高度的调节。自动化控制系统通过传感器进行采煤机运行状态的监测[10]，当超出指定的高度时进行报警提示。依据系统的自整定控制器进行采煤机的记忆截割控制，并具有远程监控控制的功能，控制系统的结构框图如下页图2 所示。

采煤机的自动控制功能包括滚筒高度的自动调整、牵引速度的自动调节及不同工况下采煤工艺的组合及采煤机状态的监测。具体的控制流程为控制系统依据传感器采集的数据进行运行姿态的监测[11]，对数据进行分析处理，自整定控制器自动进行新的控制参数的计算，进行指令的下发进行采煤机的调节控制。滚筒高度的调节主要依靠记忆截割设定的滚筒高度，并将当前的信息与给定的数据进行对比[12]，牵引速度的调节主要依靠截割负载的信息进行自整定的反馈进行调节。

依据采煤机自动化控制系统的功能需求进行自动化控制系统的设计，功能框图如图3 所示。对于采煤机位置的检测通过安装旋转编码器进行测定，位置检测信息的准确度是进行自动控制的前提。采煤机的牵引速度调节通过PLC 进行变频器的控制，实现牵引电机运行速度的调节，行走方向通过变频器改变电机的运动方向进行改变。PLC 与变频器之间采用RS485 总线的形式进行通讯，读取变频器的数据，并在显示界面中进行显示，实现数据的实时显示调节。

在自动化控制系统中，采用CAN 总线的形式进行数据的通讯连接，CAN 总线具有较高的可靠性及传输速度，连接布线的方式简单，且具有较好的故障防护机制，能够实现系统的稳定安全控制。针对采煤机内部高低压线路的布置，在CAN 总线上进行隔离模块的设计，从而防止信号的干扰突变，保证系统通讯的稳定。

采煤机自动控制系统采用记忆截割控制的方式，依据人工示范的基准运行，当工作面出现变化时，通过人工干预进行远程控制调节采煤机的运行参数，从而对采煤机的运行参数进行自动存储，并作为下一步自动控制的给定参数。当进行自动化控制时，采煤机依据传感器返回的信号与记忆的存储数据进行对比分析得到采煤机的工作状态参数，对执行器发出控制指令，实现对采煤机的自动化调节控制。采用CX-Designer 组态软件实现显示器与PLC 系统的连接，进行控制界面的设计，实现采煤机运行参数的实时显示及远程控制的交互操作。

3 采煤机自动化自整定控制系统的应用效果

依据所设计的采煤机自动化控制系统应用到MG650 型矿井采煤机中，采煤机的采高范围为3.0～5.5 m，在开采矿井工作面的长度为800 m，煤层的分布厚度为3.5～5.0 m，煤层的倾角为2°，对采煤机进行自动化控制系统的应用。当煤层的高度发生变化时，采煤机的自动化控制系统能够依据煤层的变化进行采高的自动化调节，依据记忆截割的控制实现对模拟采高值的跟随。采煤机能够完成自动化的截割，达到自动化控制的目的。控制过程中存在着一定的调节误差，这与采煤机的工作阻力、液压阻尼等多种因素相关。

4 结语

采煤机的自动化控制是实现煤矿自动化综采的重要基础，采用自整定控制的方式设计了自整定控制器，并将其应用到采煤机的控制中，实现采煤机的自动化记忆截割控制，搭建了采煤机自动化控制系统，能够依据煤层的变化自动进行采煤机运行参数的调节控制。应用所设计的采煤机自动化控制系统，对煤层变化时的采高控制进行效果分析，通过对比发现，采煤机能够实现自动化的调节控制，提高采煤机运行的自动化程度，从而为实现综采自动化奠定基础，提高煤矿的开采效率及安全性。