提高刨煤机采煤工艺自动化控制程度的途径分析

周丹

摘 要：刨煤机采煤工艺适用于薄煤层的开采，其自动化的强度决定着生产效率的高低和矿工的劳动强度，文章在介绍刨煤机采煤工艺自动控制原理的基础上，阐述了铁煤集团公司应用刨煤机采煤自动化程度的现状、原因和解决方案，并针对提升刨煤机采煤工艺自动控制的“软特性”进行了初步探讨，提出了在刨煤机自动控制系统中加入负反馈，形成闭环控制系统。利用闭环自动控制系统，既可以减少外界干扰信号，还可以提高实时校正的功能。

关键词：刨煤机；采煤工艺；自动控制；闭环控制

铁煤集团作为一家已走过了50余年的大型现代化煤炭开采企业，在目前煤炭行业整体陷入经济效益与发展下滑的不利条件下，铁煤集团面临着资源萎缩，利润空间缩小，迫切需要降低吨煤回采成本，采用刨煤机采煤工艺自动化便具有了重要的意义，首先采用刨煤机采煤工艺以适应薄煤层的开采要求，同时借助自动化控制可以实现减少采煤工作面作业人员，减少人员在小采高工作面操作作业的困难局面，保证回采作业安全等。还可以减轻工人劳动强度与工作条件，降低采煤人力资源成本，提高经济效益与社会效益。

1 刨煤机采煤工艺自动控制的基本原理

在20世纪40年代初期出现刨煤机工作面以来，刨煤机从手动操纵和人工翻打支柱，到无人操作的自动控制，刨煤机的自动化采煤工艺一直在飞速发展。早在20世纪70年代，德国鲁尔集团DBT公司把计算机和自动控制技术与刨煤机械联系到一起，即开发全自动控制的刨煤机。至20世纪80年代在德国已经得到了广泛的应用，此项技术是目前世界上最先进的薄煤层开采技术，一般月产都在几十万吨[ 1 ]。

全自动控制的刨煤机最大的特点就是实现了自动化操作，即破碎机、转载机、输送机、刨煤机的起动和停止实现了集中控制，以及输送机的推移以及液压支架的前移实现了自动操作，刨煤机的运行实现了自动的往返。

刨煤机的自动控制系统主要由PROMOS系统和PM4系统组成，如图1所示。

PROMOS系统主要是收集各种传感器元件信号进行处理后对破碎机、转载机、输送机、刨煤机的开关进行控制。而PM4系统则收集PROMOS系统中位置信号对支架进行升架、降架、拉架、推溜的4种基本操作，并通过各种参数配置和逻辑运算对支架进行更进一步的动作。PROMOS系统主要由控制盘、辅助控制器、终端感性元件、执行元件、急停、电话等部件组成。主要的信号识别、位置判断、执行元件的开启关闭等逻辑运算由主控制器完成。可以把主控制器看成是PROMOS系统的核心部分，而PM4系统除收集位置信号外，还对本身的压力传感器和测控杆数据进行处理，用以完成支架适应任何生产条件的动作。两套系统以刨头位置信号为依托并形成开环控制。在这种开环控制的自动控制系统中，由于开环控制系统的本身的输出量不会对系统的控制作用发生影响，因此不具备自动修正的能力，也就是说系统本身的输入包含给定值输入和干扰输入，必然会导致支架操作会受环境的影响而出现误差[2-3]。

2 铁煤集团公司刨煤机采煤工艺自动化控制的发展现状

为适应薄煤层开采的需要，铁煤集团公司几年来先后与德国公司及国内三一重工合作引进了几套刨煤机综采设备，到目前为止计有4套德国产刨煤机设备及1套三一重工产刨煤机设备在用，从各矿的实际应用情况看，在自动化控制的实现程度上存在着较大的问题，主要表现为未按照设计实现完全的自动控制，而是人工控制与自动控制并存的不完全自动控制。这就影响制约了自动化控制优越性的充分实现。从综采三大设备看，刨煤机与刮板运输机的运行能够实现自动控制，而液压支架的操作则基本依靠人工操作。

总体上看自动控制的刨煤机采煤工艺的优越性还没有充分发挥出来，有必要对其进行系统的分析解决。

3 导致铁煤集团公司刨煤机采煤工艺自动控制没有完全实现的原因分析

分析起来刨煤机采煤工艺不完全自动控制的原因主要有以下4个方面：（1）在漫长的地质年代里自然形成的煤层其赋存条件是复杂多变且呈非线性变化的，如煤层的厚度、顶板、底板均显现出一定的起伏变化，而按照非理想工作条件——但实质上却仍属有限的预定的设计条件——进行设计的刨煤机采煤设备自动控制系统必然客观上无法适应千变万化的煤层赋存条件；例如底板的非规则性变化必然导致液压支架彼此之间相对位置关系的非规范化。（2）刨煤机采煤工艺配套设备的自动控制系统在适应煤层赋存自然条件的柔性（或曰“适应弹性储备”）不足，或者说其适应的条件参数过于有限的简单刚性，缺乏更加充分的软特性与智能化。（3）刨煤机采煤工艺设备在安装、拆卸、运输、日常维护、管理等方面工作存在问题，导致设备自动控制系统产生物质性的部件损坏或系统软件故障，造成自动控制系统无法正常工作。（4）由于传统观念的落后，相关管理人员对自动化的刨煤综采设备对操作人员综合素质的高要求认识不足，日常工作管理中仍然安排一般工人进行操作。而操作人员的综合素质及操作技能较低不能适应自动化的刨煤综采设备要求时必然造成人机系统不匹配。

4 实现刨煤机采煤工艺自动控制的解决方案

根据前述分析，显然要实现完全的刨煤机采煤工艺自动化控制就必须从以下几个方面采取措施：（1）全面加强刨煤机采煤设备使用操作、日常维护、检修、安装、拆除、运输等应用过程各环节的系列管理，确保自动控制系统正常运行提供坚实的物质技术基础。（2）与刨煤机采煤设备生产厂家合作对设备设计进行全面的提升改造，增强设备的智能化，以使刨煤机采煤设备能够自动准确地对煤层赋存条件参数等进行 “定量式的识别”，并将之转换为控制参数用以对设备工作状态参量的修正调整。（3）与设备厂家合作对刨煤机采煤设备进行软特性提升设计，增强设备自动控制的指标范围，不仅要求实现个体设备的运动控制，而且能够实现设备之间的整体协调性控制，使之能够适应充满变化的煤层。（4）实现刨煤机采煤设备操作人员高端化配置，以全面提升提高刨煤机采煤设备操作人员的专业素质。

5 关于提升刨煤机采煤工艺自动控制的“软特性”初步探讨

在实际生产采煤巷道中，刨煤机和输送机的自动化控制水平较高，液压支架与输送机的自动化控制水平相对较弱，而刨煤机自动控制软特性的强弱主要是由PROMOS系统和PM4系统的程序算法决定的。在刨煤机工作面中，每台PM4控制相应的3台支架，并时刻搜索每个支架上的压力传感器和行程传感器的数据，结合刨煤机的位置作出相应的支架动作[4]。而液压支架动作结束后，会造成液压支架彼此之间相对位置关系的非规范化，这就是PROMOS系统和PM4系统的开环控制造成的。如果在PM4系统发送给电磁阀阀芯一定的电压值后，在通过先导阀作用于液压阀上使支架动作的过程中进行负反馈处理，也就形成了两套系统的闭环控制，不但避免了在开环控制系统中干扰输入带来的误差，还会检测出误差，并可以对其进行校正，如图2所示。

MCU和PM4 SERVER负责收集全工作面信息和对PROMOS系统之间的联系。MCU可根据收集信号形成反馈图像，便于操作人员分析工作面情况。而PM4 SERVER则是MCU和普通PM4的交流接口，它不但可以取得PROMOS系统的刨头位置数据，还可以对全工作面的其他PM4进行状态和参数的设定。PM4决定的支架动作是通过PM4电磁阀完成的，每当满足支架的动作条件时，PM4会发送给电磁阀阀心一个电压值，使相应阀心启动，然后通过先导阀作用于液压阀上使支架动作。在支架动作的过程中，实时将支架的位置信号数据反馈给PM4 SEVER进行负反馈计算，使外界干扰信号减为最小，并可以实时校正。

6 结语

薄煤层采煤，特别是近水平开采是井下最难于实现高效和人性化开采的，刨煤机采煤工艺的自动化程度的提高不但减轻了工人劳动强度，降低采煤的人力资源成本，还提高了经济效益与社会效益

[参考文献]

[1]韩素媛.全自动控制刨煤机在薄煤层采煤中的应用[J].科技情报开发与经济，2010（20）：89-93.

[2]韩国庆，周冬莉.PROMOS监控系统在综采工作面中的应用[J].河北能源职业技术学院学报，2004（1）：37-40.

[3]刘英，周明弘.进口全自动化刨煤机采煤工艺的探索[J].煤炭技术，2004（7）：78-81.

[4]王洪凯，黄艳成.应用全自动化刨煤机开采薄煤层[J].煤炭技术，2004（10）：45-48.

[5]黄东风，郝胜礼.国产全自动化刨煤机在晓明矿的成功应用[J].中国标准导报，2012（8）：102-104.

Analysis on the Way of Improving the Degree of Plough Mining Process Automation Control

Zhou Dan

（Liaoning Polytechnic Vocational College， Jinzhou 121007， China）

Abstract： Plough mining technology for thin seam mining， determines the strength of the automation of high and low production efficiency and lower the Labour strength of the miners， the article introduces the plough mining on the basis of the principle of automatic control technology， expounds the application TieMei group company plough mining automation degree of current situation， reasons and solutions， and aims at improve plough mining process of automatic control "soft" has carried on the preliminary discussion， put forward the coal planer automatic control system with negative feedback， to form a closed-loop control system. Using closed-loop automatic control system， can reduce the interference signal， also can improve the function of real-time correction.

Key words： coal plough； coal mining process； automatic control； closed-loop control