采煤机速度自动控制系统的应用研究

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摘要：瓦斯浓度、顶板压力和顶板破碎程度是限制采煤机速度的主要因素，采煤机速度越快，工作面瓦斯浓度越高，顶板压力越大，顶板破碎程度也越严重。在保证安全的前提下，将瓦斯浓度、顶板压力和顶板破碎程度等参数融合，作为调节采煤机速度的参考值，从而提高采煤机的作业效率。

关键词：采煤机；自动控制系统；多参数融合

0　引言

传统采煤机自动控制系统中，工作人员依靠瓦斯监控装置和顶板压力检测装置判断采煤机速度是否过快，若瓦斯超标、顶板压力过大或顶板破碎则立即切断采煤机供电，待工作面条件符合相关规定后恢复供电，采煤机继续作业。上述采煤方式中，采煤机常出现不必要的停止和启动，使得电机绕组和齿轮均受到冲击而损坏，采煤效率也受到影响。为了兼顾安全和采煤效率，本文通过在工作面布置无线瓦斯传感器、在液压支架布置顶板压力传感器和摄像头的方案，并采用顶板破碎程度图像识别算法来判断顶板破碎程度，在工作面条件达到安全临界条件前及时调节采煤机速度，从而达到保护采煤设备、提高采煤效率的目的。

1　采煤速度边界条件

1．1　瓦斯浓度

在煤生成的初期，植物中的纤维素和有机质在环境作用下会分解产生甲烷等气体，这些气体蕴藏在煤层内，称之为瓦斯。瓦斯随着煤层的开采被逐渐释放，在井下积聚到一定浓度将会引起爆炸等安全事故，因此采用通风机向井内送风，降低瓦斯浓度。采煤机推进速度与工作面瓦斯浓度存在正相关关系，截割速度越快则瓦斯浓度越高。综上所述，工作面瓦斯浓度是动态变化的。为了防止工作面瓦斯浓度超限，传统的采煤作业利用人工观测瓦斯浓度，一旦超过限值立即停止采煤作业，待通风机作业直至瓦斯浓度下降到安全范围内时再继续进行采煤作业，这种方式存在工作量大、采煤机的工作不连续、采煤效率低等缺点。为了保证采煤机工作的连续性，提高工作面自动化程度，可将瓦斯浓度作为采煤机速度控制的一个参数，瓦斯浓度较低时提高采煤机速度，反之降低采煤机速度，在保证安全的同时提高生产效率。

1．2　顶板压力及破碎程度

随着采煤机作业的推进，工作面支撑压力和煤岩体压力不断发生变化，采煤机顶板压力也在不断变化。根据实际经验和相关文献可知，采煤机前进速度与顶板所受压力存在正比例关系。采煤机速度过快可能导致顶板暴露面积大、时间长，可能引起冒顶事故。除了顶板压力过大，采煤机速度过快还会导致顶板破碎程度加剧。研究表明，顶板破碎系数超过1．5就会显著增加冒顶风险。传统的采煤作业利用压力传感器采集顶板压力数据，当压力超过限值时停止采煤作业，并采取人工顶板支护。为了保证采煤机工作的连续性，提高工作面自动化程度，可将顶板压力作为采煤机速度控制的一个参数，同时采用图像识别算法对顶板破碎程度进行判断，在顶板压力大、顶板破碎程度轻时提高采煤速度，反之降低采煤速度，在保证安全的同时提高生产效率。

2　多参数融合采煤机速度控制系统

多参数融合采煤机速度控制系统由参数采集与处理部分、ARM＋DSP构成的主控制器部分及速度控制模块等构成。通过采集工作面瓦斯浓度、顶板压力和顶板图像，经过处理后发送给主控制器，并结合预设的采煤机参数和采煤工艺，向速度控制模块发出相应的速度控制指令；同时进行参数显示和存储，以便工作人员监视和历史查询。2．1　ARM＋DSP双核主控制器本文采用Hi3510双核处理器，这是一款集ARM和DSP为一体的高集成、可编程处理器，支持视频处理，在视频传输和监控领域具有显著优势，其内部的图像处理模块具有除噪增强功能。井下开采设备的重要信息涉及到煤矿安全，因此必须对存储的数据加密，防止篡改和拷贝，Hi3510控制器搭载的AT88SC0101C安全芯片提供了丰富的安全特性，可为图像进行硬件加密和添加水印。2．2　无线瓦斯浓度检测电路由于工作面瓦斯浓度并不均匀，采集某点瓦斯浓度并不能代表整个工作面的情况，另一方面考虑到井下环境不适合大量布线，因此瓦斯浓度检测模块设计为基于无线收发模块的分布式系统，方便采集工作面上多点瓦斯浓度，该模块可以随工作面的推进而移动，省去布线工作。无线瓦斯检测电路的原理为：瓦斯传感器将反映被测点瓦斯浓度的模拟信号发送给单片机，经片内集成的A／D转换模块转换为数字信号，单片机通过无线收发模块将此数字信号发送给主控制器，并将该被测点瓦斯浓度显示在液晶屏上，若瓦斯浓度超过1％则发出报警信号。2．3　顶板压力检测电路采用专用矿用顶板压力传感器采集顶板压力，一般测量范围为0～60MPa，输出信号范围为1mA～5mA。顶板压力检测电路将传感器输出电流经过一个电阻接地，将电流信号转换为电压信号，然后经过运算放大电路进行放大处理，使其满足主控制器3．3V的电压输入范围要求，然后再发送给主控制器。2．4　顶板破碎程度识别算法随着硬件技术和智能算法的快速发展，越来越多的视频技术被应用在采煤作业中，发展趋势趋向于低功耗、智能化。本文采用的方案是在液压支架上方安装CCD摄像头对顶板裂缝进行图像捕获，并采用低功耗、高性能视频解码芯片进行解码。对顶板图像进行处理是正确判断其破碎程度的前提，如图2所示，顶板破碎程度图像识别流程共有5个步骤：①数字化，摄像头捕获的模拟图像不能被控制器识别，需对其进行数字化处理，将图像所有像素的灰度值按照矩阵或向量形式表示；②边缘检测，其目的是区分岩层和顶板破碎边缘；③中值滤波，井下照明条件差，空气中常有浮尘等干扰，因此顶板图像携带大量噪声，中值滤波用某长度窗口内灰度均值代替噪声点灰度值，起到增强低频分量、抑制高频分量的作用；④图像分割，顶板裂缝的图像比完整岩层颜色深，采用迭代最佳域值法将顶板裂缝单独提取出来，首先利用估计的近似阈值对图像进行分割，选取新的阈值对分割后的图像进行分割，迭代数次后不符合提取条件的像素点越来越少，从而将顶板裂缝的背景提取出来；⑤特征提取，通过特征提取得到衡量顶板破碎程度的量化系数。

3　软件设计

主控制器内搭载的采煤机速度控制软件主程序流程如图3所示，程序开始后执行初始化，对时钟模块、加密模块、无线收发模块和数据通信模块等进行参数初始化，然后分别采集瓦斯浓度、顶板压力和顶板图像，并对其进行判断，若参数在安全范围内，则返回循环继续采集参数，若参数超限则发出采煤机调速信号，采煤机接收此信号后采取相应的减速措施，以保障采煤工作面安全。除了主程序，还有无线收发程序、顶板压力超限报警程序、瓦斯浓度超限报警程序、顶板破碎程度超限报警程序等。

4　结束语

瓦斯浓度、顶板压力和顶板破碎程度是制约采煤机推进速度的关键因素。多参数融合采煤机速度控制系统采集瓦斯浓度、顶板压力和顶板破碎图像，经过ARM＋DSP双核控制器的数据处理，对采煤机速度控制模块发出控制指令。利用多参数融合采煤机速度控制系统，在保证安全的前提下提高了采煤机作业效率和煤炭产量。

参考文献：

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作者：高博   单位：西山煤电集团