摘要:煤矿装备智能化是实现煤炭工业高质量发展的核心技术支撑，采煤机作为三机配套设备之一，其智能化的程度直接影响煤矿装备智能化的发展。为了解决厚煤层及特厚煤层的开采，设计了一种基于Runtime实时操作系统的超大采高采煤机电控系统。详细介绍了电控系统架构，电控箱结构及器件布置原则，分析研究了自适应控制、惯性导航系统、在线监测及故障诊断等智能化采煤机关键技术。该电控系统在神东上湾煤矿8.8m超大采高采煤机中等到了应用，现场应用效果良好，同时实现了智能化诊断的目标。
关键词:超大采高采煤机;电气控制;自适应控制;惯性导航系统;智能诊断
在我国的能源结构中，煤炭一直占据主要主导地位。2018年煤炭行业发展年度报告指出，煤炭产量与消费量同我国一次性能源生产和消费量的占比首次下降至69.1%和59.0%，但基于我国富煤、贫油、少气的能源现状，煤炭仍将长期是我国的基础能源［1］。尽管我国煤炭储量巨大，但煤炭作为不可再生能源，煤炭的开采仍需遵循安全绿色开采、高效清洁利用的原则。神东煤炭集团所处的神府煤田被称为“煤海”，区域煤田储量巨大、赋储条件好。所属上湾煤矿井田构造形态简单，可采煤高8.8m左右。过去的观念是“有什么设备干什么活”，然而国内外现阶段尚没有能够满足一次采高8.8m的成套开采设备，为提升回采率、避免资源浪费，需进行全新开发，改变观念为“有什么工况做什么设备”。神东煤炭集团积极响应国家发改委、工信部和能源局联合的《中国制造2025—能源装备实施方案》，大力发展绿色智能采掘洗选装备，在积极推进“机械化换人，自动化减人”基础上，发展以“智能”为核心的发展战略［2］，推动矿井智能化建设，提高利用效率，促进安全生产。当前，国内外在厚煤层及特厚煤层的综采面智能化开采进展缓慢，其中，制约超大采高采煤机智能化发展的主要因素包括超大采高采煤机整机稳定性及机身联接刚性问题，关键零部件高性能新材料的开发及其工艺攻关，在强冲击、强干扰等复杂环境下工业计算机在采煤机电控系统可靠运行，以及行走位置控制、滚筒采高控制、与配套设备协同控制等方面［3］。针对电气系统所涉及到的核心问题包括煤岩识别、动态定位、远程监控、智能感知、故障诊断。近年来，随着计算机技术、通讯技术、传感器技术等的大力发展，极大的促进了采煤机电控系统智能化的突破。详细阐述并分析了超大采高采煤机电气控制系统以及在智能化方面的研究。
1厚煤层采煤机的应用实践
红柳林煤矿5－2号煤层厚度6.62～7.71m，平均厚度6.99m。2006年，首次进行了7m超大采高开采工艺与装备的可行性研究，该工作面一次采全高开采，采用超大采高工作面自动化控制系统，通过优化采煤机截割工艺参数，大幅降低了工作面作业人员数量［4］。大同煤矿集团塔山矿特厚煤层智能化综放开采实践，塔山煤矿开采3－5号煤层煤层平均厚度15.72m，在采煤机的左右滚筒安装截割高度传感器，对采煤机截割高度进行智能监控，通过优化采煤机记忆截割工艺实现了采煤机的智能记忆截割［5］。黄陵二号煤矿大采高智能化开采实践，黄陵二号煤矿416工作面煤层厚度为5.1～7m，平均厚度为6m，通过研发基于瓦斯浓度的采煤机联动控制技术，实现了根据瓦斯浓度智能感知的工作面安全预警［6］。综上述，现阶段，针对特厚煤层的煤机装备，已有诸多应用先例，但采煤机电气系统的智能化程度仍然不高。
2超大采高采煤机电气控制系统架构
2.1电控系统架构
超大采高采煤机电气控制系统采用基于Runtime系统的贝加莱工业控制计算机作为主控制器，根据各子系统控制要求与控制方式的不同采用不同功能的远程IO模块划分构建整个电控系统的各子系统硬件链路;采用CAN总线协议为各数据链的规范协议，规范各子系统之间的传输语言，通过上述方法建立起多条独立的数据链路。利用主控制器将所有数据链联系起来，构建基于数据链的采煤机数据电传控制系统。数据链传输是指主控制器通过总线接收发送采煤机控制系统中各子系统的通讯数据，将各子系统数据进行汇集，通过内部软件根据数据优先等级分时处理，将控制数据、监测数据以不同传输速率分别进行传输，使总线能够达到最大利用率，使数据传输能够最大化满足系统需求，具有快速、准确的特点。该系统主要分为4条数据链，分别负责不同的功能，Link1负责数据上传与远程数据交互，使采煤机运行数据可以实时传输至顺槽集控中心，通过井下工作环网传输至地面，并且可以通过上位机将控制指令下发给采煤机，从而实现对采煤机的远程控制;Link2负责采煤机数据采集单元数据汇集，即将采煤机上诸多传感器数据进行采集，如水路系统各流量压力传感器、油路系统各温度油位油温传感器、振动传感器、位移传感器等等;Link3负责采煤机所有电机管理单元数据汇集交互，将采煤机电控系统内负责各主回路电机控制的电机管理单元监测数据采集传输给主控制器;Link4负责采煤机内部控制单元数据汇集交互，如变频调速系统、电源管理系统、惯性导航系统数据等。每条数据链相互独立，采用硬件进行总线隔离，不会产生数据链间互相影响的情况。系统组成如图1所示。超大采高智能化采煤机采用基于数据链的电传系统，具有以下优点:1)系统中各数据链路内部单元模块有各自特定的单元地址，主控制器可以通过识别各数据链路通讯总线上的子单元地址，查询并诊断该子系统各单元模块是否正常运行，如果不正常，主控制器会将发生异常的单元模块的实际状态通过人机界面做出明确提示，工作人员根据人机界面上提示的信息，可以及时的进行问题排查，将存在异常的模块恢复正常。2)各子系统单元模块将自身的运行状态数据发往所在数据链，由主控制器提取数据链上的数据信息，并经过数据分析融合判断后，将处理数据发往与之相关联的其它数据链的子单元模块。3)各数据链单元根据控制要求定义自身特定的通讯时间间隔，最大限度避免某个子单元长时间占用数据链资源，提高数据链数据传输实时性、高效性。4)各数据链之间存在多处电气隔离，如果一条数据链出现问题，不会影响其它数据链的正常工作。5)各数据链根据功能要求的不同，设置的传输速率不同。要求实时性高的IO控制，则传输速率稍高;数据上传与远程控制考虑到传输距离与抗电磁环境问题，则传输速率稍微低些。在本系统中，Link1、Link2、Link3为同一传输速率且高于Link4数据链的传输速率。6)系统中主控制器与各数据链间采用CAN总线协议作为通讯协议，具有较强的抗干扰能力，实时性高，数据丢包率低。7)采用数字电传方式进行数据传输，效率高、准确性好，保证控制系统可靠性。8)系统内各数据链中的模块单元分布式布置，根据功能要求及信号形式定点安装，优化系统布局，减少接线冗余，提高模块运行质量，降低干扰。9)系统中主要元器件输出信号多为数字信号，便于数据传输与处理，提高系统数字化程度。
2.2电控箱结构
智能化超大采高采煤机适用于8.8m特厚煤层开采。其最大采高满足平均采高8.8m需求。具有高可靠性，整机及主要大部件大修周期达到过煤量1000万t。且工作牵引速度满足生产能力6000t/h的需求。电控箱需满足一体式结构，高、低压分腔布置，强弱电分离走线，避免高压干扰。根据神东煤炭集团上湾煤矿来压前后牵引速度与牵引电流得知，牵引负载电流长期在额定电流的80%，为满足散热降温要求，优化水道设计。其整体结构如图2所示。其中，左腔为高压控制腔，布置有牵引变压器、控制变压器、风扇、隔离开关、高压保险等;中间腔为变频控制腔，布置有主从变频器、电抗器、熔断器、接触器组件等;右腔为系统控制腔，布置有惯导单元、绝缘监测单元、控制组件、电源组件等。
3超大采高采煤机智能化关键技术研究
3.1自适应控制
为满足采煤机在工作面的智能化功能，在此煤机上开发了以记忆截割为控制策略的智能采煤机自适应系统。采煤机自适应传感器配置如图3所示，为该系统配置的相应传感器。摇臂采高监测通过智能油缸实现，在油缸内安装位移传感器，通过的油缸的伸缩量来反应摇臂的采高变化;配置采煤机倾角、俯仰角传感器，实时监测采煤机在工作面运行过程中沿行走方向的俯仰角度变化和沿老塘侧方向的倾斜角度变化;在牵引部配置编码器传感器，用于采煤机行走位置的实时定位。电气控制系统主控器搭载记忆截割软件。在实际运行过程中，煤机司机控制采煤机割煤，记忆截割软件学习了一刀工作面信息后，系统按照示范刀所记录的工作参数、姿态参数、滚筒高度轨迹，进行智能化运算，形成记忆截割模板，在自适应记忆截割过程中不断修正误差，实现自动调高、卧底、加速和减速等功能超大采高采煤机自适应记忆截割功能的实现以位置监测、姿态监测为基础，构建实时采煤机修正模型，划分割煤工艺为“22象限”步序，辅助机载视频系统，根据现场割煤工艺自动截割。
3.2惯性导航系统
惯性导航技术简称惯导技术，在航空航天领域普遍应用。它是一种不依赖外部信息，也不向外辐射能量的自主式导航系统［7］。超大采高采煤机研发基于捷联惯导开发，以采煤机为核心的，长壁工作面三维导航智能化控制惯性导航系统。惯性导航系统如图4所示，该系统由LASCLITE、EIP模块、光电转化模块、交换机以及12V供电电源构成，并安装在采煤机外部箱体。惯导技术能提供位置、速度及姿态角数据，将其应用于采煤机中，结合煤层GIS地理信息和三维虚拟现实截割模型进行智能化处理，实现顶底板控制、煤层走向控制和工作面对齐控制。基于捷联惯导开发的惯性导航系统，其三维自主精确定位位置精度25mm，采高精度10mm，三维误差0.01°;工作面三直两平矫准控制，测控精度9cm;可以满足实际工况下的生产需求。
3.3在线监测及智能诊断
为减少非计划停机停产故障，在停机后尽量缩短故障诊断与处理时间，需要发展设备的故障诊断与早期智能诊断技术［8－13］。国内外先进采煤机均已实现控制系统自身控制模块、通信连接及多数传感器异常故障的在线监测与人性化的故障查找处理提示。超大采高采煤机搭载丰富的传感元器件，包括振动在线监测、油温油位在线监测、电机电流、温度实时在线监测、流量在线监测、油品质实时在线监测等多种传感器，监测完善，保护丰富。选择合理的振动测点，通过矿用本安型振动加速度传感器获取振动信号，并将采集到的振动信号转化为4～20mA电流信号，矿用本安型振动监测仪对电流信号进行采集处理，通过故障频率计算、故障特征提取、故障部位与严重程度智能诊断等，对振动信号进行分析诊断，实现采煤机运行状态的实时诊断。并将诊断结果和报警后的数据通过以太网或者RS485发送到集控中心进行显示与上传。通过采集各部分电机的电流及温度，对采集到的数据进行处理后，与设置的阈值进行比较，根据比较结果，对采煤机进行相应的动作处理。例如当电机温度高于135℃，同时小于150℃时，采煤机处于温度报警状态。当电机温度高于150℃时，采煤机电机停止工作。通过对电流数据的分析，可实现对采煤机的恒功率自动控制及重载反牵控制。油温、油位对液压系统长期稳定运行起到了重要的作用。通过对液压系统油温油位的检测及分析，可对系统是否漏油、密封性是否良好等起到预判作用。通过油品质的检测，可分析出采煤机部分机械的磨损情况等。
4结语
经过历次技术迭代，采煤机从机械化，到自动化，再到智能化已经有了长足发展。但在特厚煤层的智能化煤机装备领域仍然较为滞后。8.8m超大采高采煤机应用实践，为适应特厚煤层的超大煤机装备发展具有突破性意义。超大采高采煤机，尤其在电控系统的智能化应用中，集自适应控制、惯性导航控制和在线监测故障诊断方面取得较大突破。但在煤岩识别、多传感器融合、人工智能的健康状态监测和故障预知等方面仍需大力发展。通过在这些关键技术领域的不断探索积累，最终实现超大采高采煤机向更高智能化采煤机质的跨跃。
作者:索智文 赵亦辉 周展 单位:国家能源集团神东煤炭集团有限责任公司 西安煤矿机械有限公司