采煤機(jī)速度自動(dòng)控制系統(tǒng)探究

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摘要：瓦斯?jié)舛?、頂板壓力和頂板破碎程度是限?a href="http://www.articshipping.com/lunwen/kzxtlw/173969.html" target="_blank">采煤機(jī)速度的主要因素，采煤機(jī)速度越快，工作面瓦斯?jié)舛仍礁?，頂板壓力越大，頂板破碎程度也越?yán)重。在保證安全的前提下，將瓦斯?jié)舛?、頂板壓力和頂板破碎程度等參?shù)融合，作為調(diào)節(jié)采煤機(jī)速度的參考值，從而提高采煤機(jī)的作業(yè)效率。

關(guān)鍵詞：采煤機(jī)；自動(dòng)控制系統(tǒng)；多參數(shù)融合

0引言

傳統(tǒng)采煤機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，工作人員依靠瓦斯監(jiān)控裝置和頂板壓力檢測(cè)裝置判斷采煤機(jī)速度是否過快，若瓦斯超標(biāo)、頂板壓力過大或頂板破碎則立即切斷采煤機(jī)供電，待工作面條件符合相關(guān)規(guī)定后恢復(fù)供電，采煤機(jī)繼續(xù)作業(yè)。上述采煤方式中，采煤機(jī)常出現(xiàn)不必要的停止和啟動(dòng)，使得電機(jī)繞組和齒輪均受到?jīng)_擊而損壞，采煤效率也受到影響。為了兼顧安全和采煤效率，本文通過在工作面布置無線瓦斯傳感器、在液壓支架布置頂板壓力傳感器和攝像頭的方案，并采用頂板破碎程度圖像識(shí)別算法來判斷頂板破碎程度，在工作面條件達(dá)到安全臨界條件前及時(shí)調(diào)節(jié)采煤機(jī)速度，從而達(dá)到保護(hù)采煤設(shè)備、提高采煤效率的目的。

1采煤速度邊界條件

1．1瓦斯?jié)舛?/p>

在煤生成的初期，植物中的纖維素和有機(jī)質(zhì)在環(huán)境作用下會(huì)分解產(chǎn)生甲烷等氣體，這些氣體蘊(yùn)藏在煤層內(nèi)，稱之為瓦斯。瓦斯隨著煤層的開采被逐漸釋放，在井下積聚到一定濃度將會(huì)引起爆炸等安全事故，因此采用通風(fēng)機(jī)向井內(nèi)送風(fēng)，降低瓦斯?jié)舛?。采煤機(jī)推進(jìn)速度與工作面瓦斯?jié)舛却嬖谡嚓P(guān)關(guān)系，截割速度越快則瓦斯?jié)舛仍礁?。綜上所述，工作面瓦斯?jié)舛仁莿?dòng)態(tài)變化的。為了防止工作面瓦斯?jié)舛瘸蓿瑐鹘y(tǒng)的采煤作業(yè)利用人工觀測(cè)瓦斯?jié)舛龋坏┏^限值立即停止采煤作業(yè)，待通風(fēng)機(jī)作業(yè)直至瓦斯?jié)舛认陆档桨踩秶鷥?nèi)時(shí)再繼續(xù)進(jìn)行采煤作業(yè)，這種方式存在工作量大、采煤機(jī)的工作不連續(xù)、采煤效率低等缺點(diǎn)。為了保證采煤機(jī)工作的連續(xù)性，提高工作面自動(dòng)化程度，可將瓦斯?jié)舛茸鳛椴擅簷C(jī)速度控制的一個(gè)參數(shù)，瓦斯?jié)舛容^低時(shí)提高采煤機(jī)速度，反之降低采煤機(jī)速度，在保證安全的同時(shí)提高生產(chǎn)效率。

1．2頂板壓力及破碎程度

隨著采煤機(jī)作業(yè)的推進(jìn)，工作面支撐壓力和煤巖體壓力不斷發(fā)生變化，采煤機(jī)頂板壓力也在不斷變化。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)文獻(xiàn)可知，采煤機(jī)前進(jìn)速度與頂板所受壓力存在正比例關(guān)系。采煤機(jī)速度過快可能導(dǎo)致頂板暴露面積大、時(shí)間長(zhǎng)，可能引起冒頂事故。除了頂板壓力過大，采煤機(jī)速度過快還會(huì)導(dǎo)致頂板破碎程度加劇。研究表明，頂板破碎系數(shù)超過1．5就會(huì)顯著增加冒頂風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)的采煤作業(yè)利用壓力傳感器采集頂板壓力數(shù)據(jù)，當(dāng)壓力超過限值時(shí)停止采煤作業(yè)，并采取人工頂板支護(hù)。為了保證采煤機(jī)工作的連續(xù)性，提高工作面自動(dòng)化程度，可將頂板壓力作為采煤機(jī)速度控制的一個(gè)參數(shù)，同時(shí)采用圖像識(shí)別算法對(duì)頂板破碎程度進(jìn)行判斷，在頂板壓力大、頂板破碎程度輕時(shí)提高采煤速度，反之降低采煤速度，在保證安全的同時(shí)提高生產(chǎn)效率。

2多參數(shù)融合采煤機(jī)速度控制系統(tǒng)

圖1為多參數(shù)融合采煤機(jī)速度控制系統(tǒng)框圖。如圖1所示，多參數(shù)融合采煤機(jī)速度控制系統(tǒng)由參數(shù)采集與處理部分、ARM＋DSP構(gòu)成的主控制器部分及速度控制模塊等構(gòu)成。通過采集工作面瓦斯?jié)舛?、頂板壓力和頂板圖像，經(jīng)過處理后發(fā)送給主控制器，并結(jié)合預(yù)設(shè)的采煤機(jī)參數(shù)和采煤工藝，向速度控制模塊發(fā)出相應(yīng)的速度控制指令；同時(shí)進(jìn)行參數(shù)顯示和存儲(chǔ)，以便工作人員監(jiān)視和歷史查詢。

2．1ARM＋DSP雙核主控制器

本文采用Hi3510雙核處理器，這是一款集ARM和DSP為一體的高集成、可編程處理器，支持視頻處理，在視頻傳輸和監(jiān)控領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢(shì)，其內(nèi)部的圖像處理模塊具有除噪增強(qiáng)功能。井下開采設(shè)備的重要信息涉及到煤礦安全，因此必須對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)加密，防止篡改和拷貝，Hi3510控制器搭載的AT88SC0101C安全芯片提供了豐富的安全特性，可為圖像進(jìn)行硬件加密和添加水印。

2．2無線瓦斯?jié)舛葯z測(cè)電路

由于工作面瓦斯?jié)舛炔⒉痪鶆?，采集某點(diǎn)瓦斯?jié)舛炔⒉荒艽碚麄€(gè)工作面的情況，另一方面考慮到井下環(huán)境不適合大量布線，因此瓦斯?jié)舛葯z測(cè)模塊設(shè)計(jì)為基于無線收發(fā)模塊的分布式系統(tǒng)，方便采集工作面上多點(diǎn)瓦斯?jié)舛?，該模塊可以隨工作面的推進(jìn)而移動(dòng)，省去布線工作。無線瓦斯檢測(cè)電路的原理為：瓦斯傳感器將反映被測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛鹊哪M信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)，經(jīng)片內(nèi)集成的A／D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)通過無線收發(fā)模塊將此數(shù)字信號(hào)發(fā)送給主控制器，并將該被測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛蕊@示在液晶屏上，若瓦斯?jié)舛瘸^1％則發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

2．3頂板壓力檢測(cè)電路

采用專用礦用頂板壓力傳感器采集頂板壓力，一般測(cè)量范圍為0～60MPa，輸出信號(hào)范圍為1mA～5mA。頂板壓力檢測(cè)電路將傳感器輸出電流經(jīng)過一個(gè)電阻接地，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后經(jīng)過運(yùn)算放大電路進(jìn)行放大處理，使其滿足主控制器3．3V的電壓輸入范圍要求，然后再發(fā)送給主控制器。

2．4頂板破碎程度識(shí)別算法

隨著硬件技術(shù)和智能算法的快速發(fā)展，越來越多的視頻技術(shù)被應(yīng)用在采煤作業(yè)中，發(fā)展趨勢(shì)趨向于低功耗、智能化。本文采用的方案是在液壓支架上方安裝CCD攝像頭對(duì)頂板裂縫進(jìn)行圖像捕獲，并采用低功耗、高性能視頻解碼芯片進(jìn)行解碼。對(duì)頂板圖像進(jìn)行處理是正確判斷其破碎程度的前提，如圖2所示，頂板破碎程度圖像識(shí)別流程共有5個(gè)步驟：①數(shù)字化，攝像頭捕獲的模擬圖像不能被控制器識(shí)別，需對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化處理，將圖像所有像素的灰度值按照矩陣或向量形式表示；②邊緣檢測(cè)，其目的是區(qū)分巖層和頂板破碎邊緣；③中值濾波，井下照明條件差，空氣中常有浮塵等干擾，因此頂板圖像攜帶大量噪聲，中值濾波用某長(zhǎng)度窗口內(nèi)灰度均值代替噪聲點(diǎn)灰度值，起到增強(qiáng)低頻分量、抑制高頻分量的作用；④圖像分割，頂板裂縫的圖像比完整巖層顏色深，采用迭代最佳域值法將頂板裂縫單獨(dú)提取出來，首先利用估計(jì)的近似閾值對(duì)圖像進(jìn)行分割，選取新的閾值對(duì)分割后的圖像進(jìn)行分割，迭代數(shù)次后不符合提取條件的像素點(diǎn)越來越少，從而將頂板裂縫的背景提取出來；⑤特征提取，通過特征提取得到衡量頂板破碎程度的量化系數(shù)。

3軟件設(shè)計(jì)

主控制器內(nèi)搭載的采煤機(jī)速度控制軟件主程序流程如圖3所示，程序開始后執(zhí)行初始化，對(duì)時(shí)鐘模塊、加密模塊、無線收發(fā)模塊和數(shù)據(jù)通信模塊等進(jìn)行參數(shù)初始化，然后分別采集瓦斯?jié)舛?、頂板壓力和頂板圖像，并對(duì)其進(jìn)行判斷，若參數(shù)在安全范圍內(nèi)，則返回循環(huán)繼續(xù)采集參數(shù)，若參數(shù)超限則發(fā)出采煤機(jī)調(diào)速信號(hào)，采煤機(jī)接收此信號(hào)后采取相應(yīng)的減速措施，以保障采煤工作面安全。除了主程序，還有無線收發(fā)程序、頂板壓力超限報(bào)警程序、瓦斯?jié)舛瘸迗?bào)警程序、頂板破碎程度超限報(bào)警程序等。

4結(jié)束語

瓦斯?jié)舛?、頂板壓力和頂板破碎程度是制約采煤機(jī)推進(jìn)速度的關(guān)鍵因素。多參數(shù)融合采煤機(jī)速度控制系統(tǒng)采集瓦斯?jié)舛?、頂板壓力和頂板破碎圖像，經(jīng)過ARM＋DSP雙核控制器的數(shù)據(jù)處理，對(duì)采煤機(jī)速度控制模塊發(fā)出控制指令。利用多參數(shù)融合采煤機(jī)速度控制系統(tǒng)，在保證安全的前提下提高了采煤機(jī)作業(yè)效率和煤炭產(chǎn)量。

作者:高博 單位:西山煤電集團(tuán)西曲礦