采煤机智能化截割监测系统的研究

韩 剑

（霍州煤电集团吕临能化有限公司庞庞塔煤矿，山西 吕梁 033200）

采煤机是煤矿井下“三机”设备的核心，直接决定了井下综采作业的效率和可靠性，由于井下的特殊地理环境，人工截割控制存在着天然的劣势，不仅截割效率低，而且极易出现触顶或者截割不到位的情况，严重影响了井下综采作业的顺利进行。随着自动化水平的不断提升，目前一些采煤机开始采用记忆截割控制，但在实际使用过程中由于监测系统落后、数据处理效率低、精确性差，因此实际上只能实现半自动化截割作业，在整个采煤过程中还需要大量的人工干预。当采煤机出现截割故障时，无法对数据进行追溯，只能由维修人员根据经验进行排查，效率低、可靠性差，难以满足井下高效综采的发展需求。

本文提出了一种新的采煤机智能化截割监测系统，以大数据集成控制为核心，利用高精度传感器对采煤机运行时的核心参数进行监测，利用模糊数据处理分析的方式对监测数据进行分类识别，获取采煤机在不同状态下的截割参数，实现了优化截割控制参数、提升采煤机自动截割控制精度。根据实际应用表明，该智能截割控制系统能够将采煤机的截割效率提升17.2%，将采煤机运行时的截割故障降低88.3%，极大地提升了采煤机截割作业时的智能化程度和可靠性。

为了提升采煤机的智能化截割程度，同时对采煤机的运行状态参数进行监测，实现故障自动识别和报警，本文根据采煤机记忆截割控制逻辑和实际监测需求，提出了一种新的智能化截割监测系统，该系统采用了模块化设计方案，能够根据不同的监测对象进行灵活拓展，从而满足监测可靠性的需求，该智能化截割监测系统整体结构如图1所示[1]。

图1 智能化截割监测系统示意图

由图1可知，该智能监测系统主要包括了数据处理模块、机身参数采集模块、控制参数采集模块及数据传输模块，其中该智能化截割监测系统的核心是S7-300PLC模块，是整个监测系统的“大脑”，主要是对各监测传感器所获取的监测信息进行分类、对比、判别并输出控制指令，确保采煤机在不同状态下的运行稳定性。

机身参数采集模块主要是依靠设置在采煤机上的各类传感器对采煤机液压系统、电气系统的核心元器件的工作状态进行监测，当出现异常信号时发出报警和定位，为故障的快速排除提供指导。

控制参数采集模块主要是对采煤机运行过程中的各类控制信息进行监测和对比，判断采煤机运行姿态是否调整到位，从而保证采煤机在记忆截割模式下的控制精确性，提高采煤机自动截割效率和可靠性。

数据传输模块主要是利用高速通信电缆，实现数据的上下游传递，在这个过程中不仅要保证数据传输的精确性需求，而且需要保证数据传输的抗干扰性和及时性。

为了满足智能化调控的需求，本文设计了一种新的基于记忆截割的采煤机智能化监测控制逻辑，其控制结构如下页图2所示[2]。

图2 智能化监测系统控制逻辑

由于采煤机智能化监测系统采用了模块化设计的思想[3]，为了满足不同模块独立运行的逻辑，主要分为监控系统数据采集控制逻辑、自适应记忆截割控制逻辑、监控报警逻辑及人工修正控制逻辑四个部分。当采煤机在记忆截割逻辑下工作时，系统自动对采煤机运行时的机身状态和控制参数进行检查，将实际检测结果和系统内的记忆截割路径进行对比分析，即可确认采煤机记忆截割控制的准确性。

由于井下实际工况比较恶劣，因此在系统内设置了人工修正和监控报警逻辑，在特殊情况下可以实现人工的远程截割控制，帮助采煤机通过地质条件复杂的区域，提高截割作业的安全性。同时系统自动对采煤机运行时的参数进行监控，当运行参数发生异常时，系统自动对承诺书进行调整和修正，确保采煤机截割作业的稳定，当数据参数偏差量大且修正无效时，系统将自动触发报警并对故障位置、故障表现、故障原因等进行定义，帮助人工进行故障的快速锁定和处理。

该监测系统的核心是对采煤机记忆截割路径进行监测，确定各个监测点的数据信息是否符合理论监测要求，由于记忆截割过程中的数据量信息极大，因此传统的监测方案难以实现全面监控，为了满足监控可靠性的需求，将采煤机记忆截割时的路径信息分为常规点、关键点、特殊点三个部分[4]，记忆点分类如图3所示[5]。

在监测系统中，常规点的数量最多，按照截割时间，每隔3 s记录一次采煤机的截割状态信息，是记忆截割监控的基础。关键点是指截割作业过程中发生位置突变、截割电机启停等情况下采煤机的调整点，是记忆截割监测的核心，每隔一定的时间间隔就需要对关键点参数进行对比分析，确定偏差量，然后进行调整。特殊点主要是指开启记忆截割和关闭记忆截割时候的恢复点。

图3 记忆点分类示意图

通过对记忆截割控制点的分类划分，监测系统在进行数据监测时无需进行连续性监测，只需要对常规点、关键点和特殊点进行定时监测和数据分析即可[6]，既有效提升了数据分析的效率和准确性，也极大地减少了数据分析量、减少了资源消耗。

该采煤机智能化截割监测系统投入应用后，对采煤机的井下截割作业情况进行跟踪监测，通过对6个月的监测数据分析可知，采用该系统后采煤机的截割效率提升17.2%，采煤机运行时的截割故障率降低88.3%，显著提升了采煤机井下截割作业的效率和稳定性，为进一步推进井下“无人”化综采作业奠定了基础。

为了解决传统采煤机自动化程度低、运行参数无法实时采集监测的难题，提出了一种新的采煤机智能化截割监测系统，对该系统的构成、判别逻辑和应用情况进行了分析，结果表明：

1）智能化截割监测系统采用了模块化设计方案，能够根据不同的监测对象进行灵活拓展，从而满足监测可靠性的需求。

2）智能化截割监测控制逻辑分为监控系统数据采集控制逻辑、自适应记忆截割控制逻辑、监控报警逻辑及人工修正控制逻辑四个部分。

3）将采煤机记忆截割时的路径信息分为常规点、关键点、特殊点三个部分，有效提升了数据分析的效率。

4）该智能截割控制系统的应用将采煤机的截割效率提升17.2%，将采煤机运行时的截割故障率降低88.3%。