超大采高采煤机智能诊断电气控制系统研究.pdf

doi 10. 11799/ ce202006004 收稿日期 2020-02-15 作者简介 索智文1980, 男, 内蒙古察右前旗人, 高级工程师, 主要从事采矿设备管理与研究工作, E-mail 10028574 shenhua. com。 引用格式 索智文, 赵亦辉, 周 展. . 超大采高采煤机智能诊断电气控制系统研究 [J]. 煤炭工程, 2020, 526 15-19. 超大采高采煤机智能诊断电气控制系统研究 索智文1, 赵亦辉2, 周 展2 1. 国家能源集团神东煤炭集团有限责任公司 高端设备研发中心, 陕西 神木 719315; 2. 西安煤矿机械有限公司, 陕西 西安 710000 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 中图分类号 TD421. 6 文献标识码 A 文章编号 1671-0959202006-0015-05 Research on electrical control system of super high coal shearer SUO Zhi-wen1, ZHAO Yi-hui2, ZHOU Zhan2 1. National Energy Group Shendong Coal Group Corporation, Shenmu 719315, China; 2. Xi’an Coal Mining Machinery Co. , Ltd. , Xi’an 710000, China Abstract The intelligentization of coal mine equipment is the core technical support for high-quality development of coal industry. The shearer is one of the three - machine supporting equipment, and its intelligent degree directly affects the development of intelligent equipment in coal mines.Aiming at mining of thick coal seam and extra-thick coal seam, an electronic control system is designed for super-large coal mining height based on Runtime real-time operating system. The electric control system framework, the electric control box structure and the devices layout principles is introduced, and the key technologies of the intelligent shearer such as self-adaptive control, inertial navigation system, online monitoring and fault diagnosis are studied. This electronic control system has been applied to Shendong Shangwan Coal Mine’s 8. 8m super-high coal shearer, and the field application effect is favorable, and intelligent diagnosis is realized. Keywords super high coal cutter; electrical control; self-adaptive control; inertial navigation system; intelligent diagnosis 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 能源局联合发布的 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 51 第52卷第6期 煤 炭 工 程 COAL ENGINEERING Vol. 52, No. 6 “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. 627. 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. 17m, 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 负责采煤机外围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 61 专题论坛 煤 炭 工 程 2020 年第 6 期 图 1 采煤机电控系统架构 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。 图 2 采煤机电控箱结构 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。 图 3 采煤机自适应传感器配置 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 71 2020 年第 6 期 煤 炭 工 程 专题论坛 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 LASC LITE、 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。 图 4 惯性导航系统图 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。 振动故 障检测系统如图 5 所示。 图 5 振动故障检测系统示意图 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 420mA 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 81 专题论坛 煤 炭 工 程 2020 年第 6 期 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。 参考文献 [1] 中国煤炭工业协会. 2018 煤炭行业发展年度报告 [R].北 京 中国煤炭工业协会, 2019. 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