采煤機與刮板輸送機聯動運行控制技術的應用研究

張宇杰

（山西省煤炭規劃設計院（集團）有限公司， 山西 太原 030045）

0 引言

煤礦井下綜采面的采煤機為MG300/700 型，綜采作業時的牽引速度為0～11.2 m/min，所采用的刮板輸送機為SGZ800/800 型，是煤礦井下綜采面“三機”的重要組成部分，其運行的穩定性和可靠性直接決定了煤礦井下綜采作業的效率和經濟性。由于煤礦井下綜采作業環境比較復雜，因此采煤機在截割作業時的效率存在著一定的波動，單位時間內的煤炭截割量變化較大，使刮板輸送機上的煤炭分布不均勻，當出現長時間過載運行時極易導致刮板輸送機的損壞，影響井下輸送安全。目前井下主要通過人工觀測的方式來對采煤機和刮板輸送機的聯動運行情況進行控制，但人工觀測效率低、可靠性差，無法滿足井下自動化綜采作業的需求。

結合煤礦井下智能綜采作業的需求，項目組提出了一種新的采煤機、刮板輸送機聯動運行控制系統，通過對采煤機截割速度和刮板輸送機負載情況的分析，確定了刮板輸送機在不同負載情況下采煤機的截割轉速調節范圍，通過對刮板輸送機運行負載狀態的監測來實現對采煤機綜采作業情況的動態調整。根據在煤礦實際應用表明，新的聯動運行控制系統，能夠有效消除井下綜采作業過程中刮板輸送機、采煤機的聯動失調問題，將綜采面作業人員數量降低了2 人，將刮板輸送機的運行效率提升了36.6%，有效的提升了井下綜采作業的經濟性和效率。

1 聯動運行控制系統優化

根據煤礦井下綜采作業聯動控制的需求，要求系統能夠實現對刮板輸送機運行狀態的實時監測，在接收到監測信息后能夠對輸送機下一階段的運行情況進行預測并將結果傳遞給采煤機，實現反饋控制系統運行，該采煤機與刮板輸送機聯動運行控制系統整體結構如圖1 所示[1]。

圖1 聯動運行控制系統結構示意圖

由圖1 可知，該系統可分為數據采集單元、數據傳輸單元以及數據分析單元三個部分。數據采集單元主要是利用溫度傳感器、編碼器、互感器等對采煤機、刮板輸送機運行時的參數進行監控，將數據信息通過數據傳輸系統傳遞到數據分析單元內，數據處理單元根據監測信息實現對刮板輸送機負載的預測和判斷，根據判斷結果和采煤機的截割狀態對比，從而靈活的調整采煤機的截割速度和刮板輸送機的運行速度，使刮板輸送機處于連續穩定運行的狀態。

由于刮板輸送機和采煤機的相對位置狀態是不斷變化的，因此若采用有線數據通信的模式會導致井下電纜長、通信可靠性不足，因此為了滿足數據通信靈活性和可靠性的需求，在井下布置了MESH 無線交換機[2]，通過構建局域網絡的方式來實現采煤機和刮板機數據的靈活傳輸，具有穩定性高、可靠性好的優點。

2 高速數據通信系統建立

為了滿足煤礦井下復雜環境下數據通信的安全性需求，項目組建立了一種基于TPC 標準通信協議的數據通信網[3]，將無線傳輸和有線傳輸相結合，在確保數據通信可靠性的條件下最大限度地提升了數據傳輸的靈活性，該數據通信網絡整體結構如圖2所示。

圖2 數據通信網絡結構示意圖

綜采面的環境相對復雜，而且采煤機在不斷地運行過程中若和采煤機相連接的設備之間數據通信采用有線連接，則在設備移動或者綜采面塌方等情況下極易導致電纜損壞，影響數據通信安全性，無法滿足綜采面設備動態運行條件下的需求。因此在采煤機和順槽之間、采煤機和刮板輸送機之間、刮板輸送機和順槽之間的數據通信均采用了MESH（無線網格）[4]無線數據交換網絡，其他地方數據通信則采用了有線光纜傳輸，既保證了數據通信的安全性，又提升了數據通信的靈活性。

無線網絡交換機主要是負責在綜采面的數據通信服務[5]，因此為了保證數據通信的可靠性，需要保證無線網絡交換機能夠跟著綜采面不斷向前推進?？紤]到刮板輸送機在運行中極易受到落煤的影響，因此將無線網絡交換機設置在采煤機和緊靠刮板輸送機的端頭支架上，考慮到刮板輸送機的距離較遠，需要在刮板輸送機附近的支架上每隔一段距離設置一個網絡交換機。

煤礦井下綜采面的地質條件較為復雜，起伏較大，在應用過程中發現地形的變化會導致無線網絡的信號強度不穩定，因此在布置無線網絡交換機時不能進行等距離布置。通過對井下通信狀況的實際驗證，在起伏波動大的位置無線網絡交換機的布置距離不大于30 m，在地形較為平緩的位置，網絡交換機的布置距離可以設置為60～80 m。在布置時交換機的天線應該水平安裝，能夠取得更好的數據通信效果，交換機在井下液壓支架上的布置結構如圖3 所示。

圖3 網絡交換機布置結構示意圖

3 負載反饋調節邏輯

該聯動運行控制的基礎是以刮板輸送機的負載狀態為核心，實現對采煤機截割作業狀態的閉環反饋調節，該負載反饋調節邏輯如圖4 所示[6]。圖4 中I 表示運行電流值，v 表示采煤機的綜采作業速度。在工作的過程中系統首先對刮板輸送機的運行負載狀態進行判斷，當刮板輸送機處于空載狀態時則按正常的啟動流程進行啟動，當處于過載狀態時就使其停機。當系統判斷刮板輸送機的負載在正常范圍內時則會將負載情況和采煤機的綜采作業速度進行對比判斷，確定最匹配的采煤機綜采速度，同時對其速度是否在正常范圍內進行監測，實現了采煤機、刮板輸送機運行狀態的相互匹配[7]。

圖4 負載反饋調節邏輯示意圖

由圖4 可知，在該負載反饋調節系統中，首先利用模糊邏輯對刮板輸送機在不同運行負載狀態下進行劃分，每種狀態對應一種邏輯控制函數，然后根據實際的驗證，來確定不同負載狀態下和采煤機的最佳截割速度匹配情況。在工作中通過對刮板輸送機負載情況的判斷來直接匹配轉速，實現對采煤機運行狀態的靈活調整。

4 應用效果分析

煤礦井下綜采面采用機械化聯合作業，綜采面的傾斜長度為210 m，綜采面的平均傾斜角度為5.3°，煤層的平均采高為4.2 m，煤層的走向長度為1 284 m，采煤機為MG300/700 型，綜采作業時的牽引速度為0～11.2 m/min，所采用的刮板輸送機為SGZ800/800型，以雙速電機為驅動核心。對其進行自動化運行控制系統改造，使其滿足采煤機- 刮板輸送機聯合運行控制需求，對該系統應用以后的情況進行監測。

根據實際監測統計，該新的采煤機與刮板輸送機聯動運行控制系統投入使用后，能夠消除井下綜采作業過程中刮板輸送機、采煤機的協同運行，將綜采面作業人員數量降低了2 人，將刮板輸送機的運行效率提升了36.6%，井下未再出現過因刮板輸送機和采煤機煤量不匹配導致的停機調整情況，顯著提升了井下綜采作業的穩定性和安全性，目前該采煤機、刮板輸送機聯合運行控制系統已經在多個綜采面投入使用，取得了極好的應用效果。

5 結論

1）采煤機、刮板輸送機聯動運行控制系統可分為數據采集單元、數據傳輸單元以及數據分析單元三個部分，具有穩定性高、可靠性好的優點。

2）基于TPC 標準通信協議的數據通信網，將無線傳輸和有線傳輸相結合，在確保數據通信可靠性的條件下最大限度地提升了數據傳輸的靈活性；

3）在起伏波動大的位置無線網絡交換機的布置距離不大于30 m，在地形較為平緩的位置，網絡交換機的布置距離可以設置為60～80 m，提高數據通信的可靠性。

4）新的控制系統能夠實現井下綜采作業過程中刮板輸送機、采煤機的協同運行，將綜采面作業人員數量降低了2 人，將刮板輸送機的運行效率提升了36.6%，顯著提升了井下綜采作業的穩定性和安全性。