基于瓦斯浓度预测的采煤机与刮板输送机协调控制研究

任文勇，刘引军，丰界泽

（山西焦煤集团岚县正利煤业有限公司，吕梁  033000）

摘 要：针对高瓦斯矿井采煤过程中存在瓦斯气体集聚风险问题。建立瓦斯量与采煤机牵引速度、滚筒速度关系模型，并建立采煤机与刮板输送机速度关联，最终可得出刮板输送机和瓦斯量关系模型。通过采用PLC自动控制方法和运用组态软件对数据进行实时监测，实现采煤机和刮板输送机

基于瓦斯浓度预测的采煤机与刮板输送机协调控制研究

任文勇，刘引军，丰界泽

（山西焦煤集团岚县正利煤业有限公司，吕梁  033000）

摘 要：针对高瓦斯矿井采煤过程中存在瓦斯气体集聚风险问题。建立瓦斯量与采煤机牵引速度、滚筒速度关系模型，并建立采煤机与刮板输送机速度关联，最终可得出刮板输送机和瓦斯量关系模型。通过采用PLC自动控制方法和运用组态软件对数据进行实时监测，实现采煤机和刮板输送机速度协调控制，并预测瓦斯生成量。因此，研究方法有利于保证煤矿的安全开采。

关键词：瓦斯量关系模型；自动控制；PLC；组态王

Speed Coordination Control of Shearer and Scraper Conveyor Based on Gas Prediction

REN Wenyong ,LIU Yinjun,Feng Jieze

(Shanxi Coking Coal Group Lanxian Zhengli Coal Industry Co., Ltd., Lvliang  033000,China)

Absrtact: Aiming at the risk of gas accumulation in the process of mining in high gas mine. The relationship model between gas quantity and shearer traction speed and drum speed is established, and the relationship between shearer and scraper conveyor speed is established. Finally, the relationship model between scraper conveyor and gas quantity can be obtained. The coordinated speed control of shearer and scraper conveyor is realized by using PLC automatic control method and real-time monitoring of data with configuration software, and the gas production is predicted. Therefore, the research method is conducive to ensuring the safety of coal mining.

Key words: gas volume relationship model; automatic control; PLC; Kingview

0 引  言

矿井瓦斯是影响煤矿生产安全性的主要隐患，由其引起的安全问题占煤矿生产事故的80%以上，其伤亡人数达到特大事故伤亡人数的90%，因此瓦斯量检测和自动调整一直是矿业工程中至关重要的研究领域，随着采煤技术不断发展，使得煤层开采规模日益加大，由此造成的瓦斯涌出问题也愈发突出，故准确预测工作面瓦斯涌出量，并根据预测结果实时自动调节采煤、运煤速度。弥补了传统煤矿瓦斯量监测系统采用有线网络方式在覆盖率、扩展性等方面的不足。而自动化控制操作又使得瓦斯量可以一直浮动在预设的安全边界浓度，解决了因瓦斯量超标而使得综采设备停机而带来损失的问题。对于指导矿井安全、高效生产有着重要的实际意义。

黄东等^[1]采用灰色系统理论与自记忆原理相结合的方法，将灰色系统理论导出的煤矿瓦斯量变化微分方程带入由自记忆原理推导的离散形式自记忆方程，利用最小二乘法求得记忆系数，建立了煤矿瓦斯量预测的灰色自记忆模型；刘荷花^[2]利用混沌时间序列可以短期进行预测的特性，对煤矿瓦斯量相空间进行重构，采用改进的C-C算法计算出时间延迟和相空间嵌入维数两个参数，采用加权一阶局域法建立煤矿瓦斯量预测模型，进行煤矿瓦斯量预测；穆文瑜等^[3]利用关联积分方法计算出两个重要的相空间参数—时间延迟和嵌入维数，并用经过 K-Means聚类算法改进的加权一阶局域法构建一种非线性时间序列预测模型，用来预测煤矿瓦斯量，证明此方法的有效性；姜雷^[4]认为影响瓦斯量变化的因素具有非线性特征，根据这一特征对瓦斯量采用BP神经网络算法进行建模并对瓦斯量进行预测；韩婷婷等^[5]在前人基础上利用马尔科夫残差对灰色神经网络进行修正，使得瓦斯量预测效果得到进一步改善；高亚楠^[6]在采煤机原设备控制系统的基础上，采用PLC控制变频器的方案，应用采煤机截割电机恒定功率控制系统。最终实现了截割电机恒功率的自动控制；符大利^[7]等通过将综采工作面与采煤机关联的信息进行收集、分析和使用，使得采煤机在速度调节时既考虑各关联设备的运行状态，又考虑设备运行的效率，最后得到了基于多机协同采煤机调速方法采煤机速度达到最优控制；李晓豁，张飞虎等^[8]设计了电流交叉耦合控制算法与转速给定调节控制方法相结合的功率平衡控制系统，改善了采煤机牵引调速系统的抗扰动性能；谭超，牛可等^[9]采用有限状态机理论对采煤机变频调速系统进行状态分析和工作流程控制，提高了采煤机变频牵引控制系统的可靠性；王会枝^[10]等依据煤矿井下刮板输送机的工况特点，通过对刮板输送机驱动电机、变频器性能的研究，提供了一种刮板输送机智能调速方案，实现刮板输送机的运行平稳及节能降耗；王凯等^[11]运用模糊逻辑对刮板输送机的负载状态进行模糊划分，建立刮板输送机负载状态判定模型，确定刮板输送机不同负载状态下采煤机速度的调节区间，制定了基于刮板输送机负载预测的采煤机调速策略。

以上研究在瓦斯量与截煤速度调节方面较为完善，能够有效解决瓦斯涌出问题，但对于采煤机和刮板输送机的联动控制系统和基于速度调整瓦斯量预测系统，国内相关研究仍处于起步阶段。因此为了能够较为直观地描述瓦斯量与影响因素量的具体模型，本文选取采煤机牵引速度和刮板输送机链速作为自变量，以瓦斯量作为因变量建立关系模型来检测，并基于该模型通过运用PLC和组态软件设计预测瓦斯量的采煤机、刮板输送机联动控制系统。

1瓦斯涌出预测模型分析

为能清晰描述瓦斯量变化的影响因素，本文基于瓦斯地质数学模型对瓦斯量与采煤机牵引速度进行多元统计分析，根据矿井已采地区的瓦斯涌出量实测资料和相关的地质资料，综合考虑影响开采煤层瓦斯涌出量的多种因素，建立预测瓦斯涌出量的多变量数学模型，并利用该模型对矿井未采区域的瓦斯涌出量进行预测。瓦斯地质数学模型法采用数量化理论作为建模工具，是一种可同时处理定性变量和定量变量的多元统计分析方法。由此建立出瓦斯地质数学模型：

     (i，j均为正整数)

式中，：瓦斯涌出量预测值，：定量自变量常数；：定量自变量；：定性自变量常数；：定性自变量。

1.1 采煤机牵引速度、滚筒速度与瓦斯量关系模型建立

采场采动关系变化是导致瓦斯释放，工作面瓦斯量上升的原因。而采煤机截煤活动是导致煤层发生变动的主要因素。在矿井通风条件等外界因素不变的情况下，截煤速度是造成工作面瓦斯量变化的主要原因。

影响采煤机采煤量的因素主要是采煤机滚筒转速和牵引速度，在牵引速度不变的情况下，滚筒转速大小直接决定煤的切割厚度，即滚筒速度越大，煤切割厚度越小，而牵引速度与煤切割厚度成正比，可得到如下数学模型：

                                                   （1）                             

式中，T--切割厚度，m；

V1--采煤机牵引速度，m/min；

z--一条截线上的截齿数；

n--采煤机滚筒转速，r/min。

通过运用瓦斯地质数学模型思路，综合考虑煤的采高和容重，可得到采煤量和采煤机牵引速度、滚筒速度数学模型：

                                               （2）

式中，Q1是采煤量，t；

H是采高，m；

V1--采煤机牵引速度，m/min；

γ--煤容重（根据煤层种类不同而不同），t/m3；

t1--采煤机工作时间，h；

z--一条截线上的截齿数；

n--采煤机滚筒转速，r/min。

假设瓦斯在煤矿中均匀分布，比例系数为K，则有：

                                                       （3）

联立可得出采煤机牵引速度、滚筒速度与瓦斯量关系模型：

                                              （4）

式中，S--瓦斯量，m³；

K--瓦斯存在煤层中的比例系数。

1.2 采煤机速度与刮板输送机速度关系模型建立

在实际工况中，采煤机上落煤不会完全落在刮板输送机上，因此对于刮板输送机上落煤量有：

                         （5）

式中，Q1--采煤量，t；

Q2--落在刮板输送机上的煤量，t；

j--比例系数。

假设落煤能够均匀的铺在刮板输送机上，则有：

                           （6）

式中，q--刮板输送机单位长度煤量，t；

L--刮板输送机的刮板总长度，m。

当煤矿在刮板输送机上输送时有：

                                                       （7）

式中，V2--刮板输送机输送速度，m/min；

t2--煤矿从刮板输送机机头到机尾所用时间，min。

联立式5、6、7得：

                                                   （8）

通过式2和8可得出采煤机牵引速度、滚筒速度和刮板输送机输送速度关系模型：

                                            （9）

1.3 刮板输送机输送速度与瓦斯量关系模型建立

式4得出了采煤机牵引速度、滚筒速度与瓦斯量关系模型，式9得出了采煤机牵引速度、滚筒速度和刮板输送机输送速度关系模型，联立两式可得出刮板输送机输送速度与瓦斯量关系模型：

                                    （10）

式中，S--瓦斯量，m³；

K--瓦斯存在煤层中的比例系数；

q--刮板输送机单位长度煤量，t；

t2--煤矿从刮板输送机机头到机尾所用时间，min；

V2--刮板输送机输送速度，m/min；

j--比例系数。

2 采煤机与刮板输送机的联动控制系统设计

2.1 总体方案设计

运用上述数学模型可通过瓦斯产生量反推出采煤机和刮板输送机速度，进而对采煤机和刮板输送机进行联动控制。通过运用采煤机牵引速度、滚筒转速自动调整技术；刮板输送机机头机尾电流检测技术、负载预测技术以及刮板输送机链速自动调控技术，可达到工作面自动化控制，并可实现基于安全瓦斯量下的采煤机和刮板输送机协调运作。

2.2 基于安全瓦斯量的采煤机自动调控

针对瓦斯量范围，将每一瓦斯量范围所对应的最优牵引速度和滚筒速度作为优化后的截割参数，通过制定自适应变速截割控制策略对煤层瓦斯量范围变化进行预测并调控。为提高系统的稳定性和可靠性，将模块化设计方案应用到本系统中。系统分为以下几个主要组成部分：电流测量模块、瓦斯量检测模块、通信接口模块、控制模块及PLC等。系统的结构框图如下图1所示：

图1 采煤机自动控制结构图

该控制系统主要由测量模块、通讯模块、控制模块等组成，其对应的主要功能如下：

（1）测量模块

该模块主要由采煤机滚筒转速检测模块、采煤机牵引速度检测模块组成，首先通过采集采煤机滚筒转速和牵引速度值，并对其进行编码处理，将信号实时地发送到总线上，同时伴有红绿双色LED指示灯以直观显示该模块的工作状态。

（2）控制模块

该模块主要负责接收控制开关信号和遥控信号，同样对两个信号进行编码处理，发送到总线上。操控人员通过相关遥控器就可以对采煤机进行远程速度调控，在减少工作强度的同时提高了工作人员的安全系数。

（3）通信接口模块

该模块是PLC、瓦斯量信号、CAN总线和变频器之间用于数据传输的接口。作用是将检测到的采煤机速度模拟参数、控制信号等参数数据实时地传输到CAN总线上并传输给PLC，同时将瓦斯量信号反馈给PLC。

该控制系统通过电牵引采煤机恒功率调速控制系统可对采煤机截割速度进行自动控制，在满足瓦斯量稳定在安全浓度范围内，对采煤机截煤速度进行最优化自动控制，且能够通过遥控器发出控制信号手动的对整个系统进行控制。

采煤机通过调节牵引电机和截割电机的转速改变牵引速度和滚筒转速，并通过通讯模块将速度信号输入给PLC，输出瓦斯量信号，根据输出的瓦斯量信号对采煤机电机转速进行最优化调控，使得瓦斯量稳定维持在安全浓度范围内。

2.2 采煤机和刮板输送机协同调速

采煤机与刮板输送机的协调控制是输送机既不欠载也不过载的保证，控制系统会根据刮板输送机的运载负荷情况调整采煤机的牵引速度。刮板输送机的负载情况是通过电流传感器检测输送机机头、机尾电流从而判断的。系统控制逻辑框图如图2所示：

图2 采煤机、刮板输送机协同控制逻辑图

输送机负荷转换为机头、机尾标准电信号并输送给PLC控制系统。刮板输送机负荷自适应程序设计时将预设电流值的下限值和上限值输入控制系统，当电流值低于下限值时，增大采煤机牵引速度，当高于上限值时，减小采煤机牵引速度。

2.3 基于安全瓦斯量的刮板输送机自动调控

根据刮板输送机负载与链速是自适应的原理，刮板输送机将当前负载信号传递给控制系统，以此调整刮板输送机输送速度，当刮板输送机负载较大时，或对应链速较大时，根据式10建立的关系模型可知，此时对应产生的瓦斯量升高，以至于瓦斯量可能超标，系统会进行报警警示，并自动降低刮板输送机输送速度，并告知操作人员需要降低刮板输送机负载。系统结构框图如图3所示：

图3 刮板输送机自动控制结构图

为满足综采工作面工作量的要求，一般选用功率较大，机头机尾双传动的刮板输送机。速度测量模块通过将机头机尾电机的转速参数发送到CAN总线上，之后通过通讯模块传输到PLC，PLC输入速度信号，输出瓦斯量信号，根据输出的瓦斯量信号，通过变速器对刮板输送机的链速进行自动调整，使得瓦斯量控制在安全浓度范围的同时，得到刮板输送机链速的最优化调速策略。

3 组态界面设计

上位机安装组态软件、组态设备驱动程序，下位机采用西门子S7-200型PLC，两者通过USB-PPI电缆进行通讯。通过鼠标点击操作组态界面上的图形对象就可以发出PLC所需要的输入信号，PLC收到信号后，经过控制程序发出指令给上位机，上位机接到指令后，在组态画面上以动画、数值、文字等形式反应出系统的运行状态和控制结果，实现系统监测控制报警一体化。

软件平台设计由登陆界面部分、瓦斯量自动调控界面部分、采煤机自动调控系统界面部分和刮板输送机自动调控系统界面部分四部分组成。本文设计的界面可对控制系统各设备的运行状态和运行数据进行实时显示。

3.1 组态登录界面 

在进入系统时操作员需要输入预先设定的账号和密码进行登录系统。登录界面如图4所示。

图4 登录界面图

3.2 采煤机自动调控组态界面

基于本文研究的数学模型，可通过对采煤机速度进行调控进而实现瓦斯量的调控。如图5所示，组态界面可以对采煤机的牵引电机和截割电机转速进行数据显示并调控，进而改变采煤机牵引速度和滚筒转速，同时对当前瓦斯量进行实时显示评价，分析瓦斯量处于不同状态的原因，并可通过相关控制命令控制采煤机的相关参数。

 

图5 采煤机自动调控界面图

3.3 刮板输送机自动调控组态界面

基于本文研究的数学模型，可通过对刮板输送机速度进行自动调控而达到调整工作面瓦斯量的目的。如图6所示，刮板输送机的主要运行参数及状态可通过组态界面进行观察并且对瓦斯量信号进行实时反馈、分析。通过控制命令调整刮板输送机运行参数。

 

图6 刮板输送机自动调控界面图

3.4瓦斯量自动调控系统组态界面

 

图7 瓦斯量自动调控系统图

本界面功能主要包括采煤机和刮板输送机协调控制后瓦斯量的主要参数，包括瓦斯压力、流量、浓度；添加了报警功能，可事先根据实际开采工作面情况输入瓦斯参数设定值，当瓦斯量超标后或者系统故障时进行报警提示；添加自动、手动调整转换功能，增加系统容错性，提高系统可靠性。

4 结束语

本文通过建立采煤机牵引速度、滚筒速度与瓦斯量以及刮板输送机输送速度关系模型基础上，联立得出了刮板输送机输送速度与瓦斯量的关系模型，实现了对综采工作面瓦斯涌出量关系模型预测。运用PLC通过对采煤机和刮板运输机速度进行自动控制，反作用于对瓦斯量进行调整，控制过程中的各个参数基于组态软件进行实时模拟控制监测，对开采的安全性和高效性都具有积极意义。

参考文献

[1] 黄东，谢学斌，黄晓阳，王伟.基于灰色自记忆原理的煤矿瓦斯浓度预测[J].科技导报，2010，28(17)：58-62.

[2] 刘荷花.应用混沌理论对煤矿瓦斯浓度预测[J].山西电子技术，2011(04)：43-44.

[3] 穆文瑜，李茹.基于K-Means聚类的瓦斯浓度预测[J].计算机应用，2011，31(03)：702-705.

[4] 姜雷.基于BP神经网络的煤矿瓦斯浓度预测模型构建及仿真[J].矿业安全与环保，2010，37(04)：37-39.

[5] 韩婷婷，吴世跃，王鹏军.基于马尔科夫残差修正的瓦斯浓度预测[J].工矿自动化，2014，40(03)：28-31.

[6] 高亚楠.交流变频调速采煤机恒功率自动控制系统分析[J].机械管理开发，2018，33(09)：235-236+249.

[7] 符大利，党景锋，田江伟.基于多机协同的采煤机调速方法[J].煤矿机械，2017，38(09)：120-121.

[8] 李晓豁，张飞虎，付伟丽，曹江卫.双SRM牵引采煤机功率平衡系统[J].计算机系统应用，2011，20(11)：72-75.

[9] 谭超，牛可，仝矿伟.基于有限状态机的采煤机变频牵引控制系统的研究[J].煤矿机械，2009，30(12)：224-226.

[10] 王会枝，陈伟，郭忠.刮板输送机智能调速系统研究[J].煤矿机械，2018，39(08)：35-36.

[11] 王凯. 基于刮板输送机负载预测的采煤机调速技术研究[D].中国矿业大学，2015.