基于煤壁垮落程度的采煤机牵引速度自动控制方法与流程

本发明涉及采煤机控制技术领域，具体涉及一种基于煤壁垮落程度的采煤机牵引速度自动控制方法。

背景技术：

采煤机是实现煤矿生产机械化和现代化的重要设备之一。机械化采煤可以减轻体力劳动和提高安全性，达到高产量、高效率、低消耗的目的。随着综采工作面采高的增加，采煤过程中容易引发煤壁垮落，煤壁垮落是综采生产过程中最常见的灾害之一，严重的煤壁垮落冒顶会导致液压支架泄漏以及支架结构件损坏，垮落量过大会导致工作面刮板输送机负载突变，损坏驱动电机，威胁采区电网稳定性。此时，如果不考虑煤壁垮落对牵引速度的影响，必然会加剧危险事故的发生。因此，采煤机牵引速度的合理调节是综采工作面“三机”协同工作的保障。

目前，采煤机牵引速度的控制方法主要依靠操作工人的视觉、听觉结合自身积累的经验来实现，但由于采煤工作面条件恶劣，上述方法并不可靠，会导致煤矿灾难频发，且控制效果无法达到预期。

因此，鉴于以上问题，有必要提出一种采煤机牵引速度自动控制方法，以实现厚煤层开采的采煤效率，保证整个综采工作面的生产安全。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明公开了一种基于煤壁垮落程度的采煤机牵引速度自动控制方法，通过综合考虑煤壁垮落情况、截割电机电流和牵引电机电流，实现采煤机牵引速度的自动调控，提高采煤效率，保障人员安全。

根据本发明的目的提出的一种基于煤壁垮落程度的采煤机牵引速度自动控制方法，包括以下步骤：

s1.通过煤壁图像采集单元采集煤壁的图像信号，并通过无线信号收发单元发送至图像信号处理单元对图像中反应煤壁垮落程度的特征向量进行特征提取，进而可以获得煤壁垮落的最大宽度、最大高度和最大深度，分别记为a、h和d。

s2.煤壁垮落评估单元利用特征信息实现煤壁垮落程度的在线评估；以每一帧图像提取的三个特征值a、h、d构建输入向量，煤壁垮落程度作为输出向量，构建样本集对分类器进行训练，生成基于分类器的煤壁垮落程度评估模型，并对煤壁垮落程度进行评估。

s3.逻辑处理单元获取煤壁垮落程度的在线评估结果生成采煤机当前的控制指令，并传输至采煤机机载控制单元实现采煤机牵引速度的自动调节；煤壁垮落程度根据煤壁垮落体积占比划分为正常、轻度、中等和严重四种级别；当煤壁垮落程度为正常级别或轻度级别时，执行s6；当煤壁垮落程度为中等级别时，执行s5；当煤壁垮落程度为重度级别时，执行s4。

s4.采煤机机载控制单元降低采煤机牵引速度，并判断是否降至当前速度的1/2；若小于当前速度的1/2，则继续判断下一帧煤壁图像的垮落程度；若煤壁垮落程度仍为重度级别，则继续降低牵引速度，并判断是否降至当前速度的1/2；若煤壁垮落程度为中等级别，执行s5；若煤壁垮落程度为轻度或正常级别，则执行s6。

s5.采煤机机载控制单元降低采煤机牵引速度，并判断是否降至当前速度的2/3；若小于当前速度的2/3，则继续判断下一帧煤壁图像的垮落程度；若煤壁垮落程度仍为中等级别，则继续降低牵引速度，并判断是否降至当前速度的2/3；若煤壁垮落程度为轻度或正常级别，执行s6；若煤壁垮落程度为重度级别，则执行s4。

s6.采集牵引电机电流，并传输至电流信号处理单元进行滤波处理，逻辑处理单元获取滤波处理结果生成采煤机控制指令，并传输至采煤机机载控制单元实现采煤机牵引速度的自动调节；判断当前牵引电机电流i牵是否超过牵引额定电流i牵额，若i牵＞i牵额，则降低采煤机牵引速度，直至i牵≤i牵额。

s7.采集截割电机电流，并传输至电流信号处理单元进行滤波处理，逻辑处理单元获取滤波处理结果生成采煤机控制指令，并传输至采煤机机载控制单元实现采煤机牵引速度的自动调节；判断当前截割电机电流i截是否超过截割额定电流i截额，若i截＞i截额，则降低采煤机牵引速度，直至i截≤i截额；若i牵≤i牵额且i截≤i截额，则提高牵引速度。

s8.判断i牵和i截是否“正常”，即是否i牵设≤i牵≤i牵额，i截设≤i截≤i截额，且设定电流i牵设＝0.8i牵额，i截设＝0.8i截额；若i牵和i截不“正常”，则继续提高牵引速度；若i牵和i截“正常”，则保持当前牵引速度运行。

优选的，s3中煤壁垮落程度级别划分，设滚筒直径为d，顶底板高度h，采煤机滚筒截割深度为w，则所述煤壁垮落体积占比α为：

α＝(ahd)/(dhw)×100％；

当α≤10％时没有煤壁垮落程度，即为正常级别；当10％＜α≤20％时，煤壁垮落程度为轻度级别；当20＜α≤40％时，煤壁垮落程度为中等级别；当α＞40％时，煤壁垮落程度为重度级别。

与现有技术相比，本发明公开的一种基于煤壁垮落程度的采煤机牵引速度自动控制方法的优点是：

(1)本发明基于煤壁垮落程度对采煤机牵引速度进行自动调节，当煤壁垮落程度较严重时，通过降低牵引速度，减少滚筒的出煤量，缓解了由于煤壁垮落而导致刮板输送机的负载突变，提高了驱动电机使用寿命，降低了采区电网波动性，保障了整个综采工作面的生产安全。

(2)本发明当煤壁垮落程度较低时，可以根据牵引电机和截割电机电流的大小适当提高牵引速度，增加滚筒出煤量，进一步保障煤炭生产效率。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域中的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明的系统图。

图2为本发明的牵引速度控制流程图。

图中的数字或字母所代表的零部件名称为：

1-煤壁图像采集单元；2-无线信号收发单元；3-图像信号处理单元；4-煤壁垮落评估单元；5-逻辑处理单元；6-采煤机机载控制单元；7-截割电机电流采集单元；8-牵引电机电流采集单元；9-电流信号处理单元；10-数据存储单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做简要说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。

图1-图2示出了本发明较佳的实施例，分别从不同的角度对其进行了详细的剖析。

如图1所示的一种基于煤壁垮落程度的采煤机牵引速度自动控制系统，包括煤壁图像采集单元1、无线信号收发单元2、图像信号处理单元3、煤壁垮落评估单元4、数据存储单元10、逻辑处理单元5、截割电机电流采集单元7、牵引电机电流采集单元8、电流信号处理单元9以及采煤机机载控制单元6。其中，煤壁图像采集单元1、无线信号收发单元2、图像信号处理单元3、煤壁垮落评估单元4、逻辑处理单元5以及采煤机机载控制单元6依次电连接；数据存储单元10分别与图像信号处理单元3、电流信号处理单元9电连接；电流信号处理单元9分别与截割电机电流采集单元7、牵引电机电流采集单元8、逻辑处理单元5电连接。

煤壁图像采集单元1通过高清深度相机实时采集煤壁图像视频信号，并通过无线信号收发单元2将信号传送至图像信号处理单元3。煤壁图像采集单元1采用的是一种高度深度相机，并安装于采煤机机身上部。图像信号处理单元3对每一帧煤壁图像进行处理，可以直接获取煤壁垮落后形成的凹陷区域特征，也就是煤壁垮落特征，即煤壁垮落的最大深度、最大高度和最大宽度。煤壁垮落评估单元4利用特征信息和煤壁垮落程度就可以生成训练样本，对分类器进行训练，进而实现煤壁垮落程度的评估。具体的，煤壁垮落评估单元4的功能通过训练分类器模型来实现，每一个训练样本由每一帧图像的煤壁垮落特征信息和对应的煤壁垮落程度组成。训练样本的个数是通过100次仿真实验中训练精度最高的情况确定的。煤壁垮落评估单元将帧图像的煤壁垮落特征值作为分类器模型的输入，进而实现煤壁垮落程度的在线评估。煤壁垮落评估单元4选择不限，可以使用支持向量机作为分类器，该算法稳定性高，识别精度高；也可以选用神经网络分类器。

截割电机电流采集单元7和牵引电机电流采集单元8分别用于采集采煤机的截割电机电流和牵引电机电流，电流信号处理单元9用于截割电机电流和牵引电机电流信号的滤波处理。具体的，截割电机电流采集单元7和牵引电机电流采集单元8均采用电流互感器实现截割电机和牵引电机电流的采集。

逻辑处理单元5获取煤壁垮落程度的在线评估结果以及电流信号滤波处理结果生成采煤机当前的控制指令，并传输至采煤机机载控制单元6实现采煤机牵引速度的自动调节。采煤机机载控制单元6通过电信号与采煤机机身内部安装的变频器通信，并发送加速或减速指令，实现采煤机牵引速度的调节。

数据存储单元10用于存储处理过的电流信号和图像处理结果。

如图2所示的一种基于煤壁垮落程度的采煤机牵引速度自动控制方法，包括以下步骤：

步骤一、通过煤壁图像采集单元1采集煤壁的图像信号，并通过无线信号收发单元2发送至图像信号处理单元3对图像中反应煤壁垮落程度的特征向量进行特征提取，进而可以获得煤壁垮落的最大宽度、最大高度和最大深度，分别记为a、h和d。

步骤二、煤壁垮落评估单元4利用特征信息实现煤壁垮落程度的在线评估；以每一帧图像提取的三个特征值a、h、d构建输入向量，煤壁垮落程度作为输出向量，构建样本集对支持向量机进行训练，生成基于支持向量机分类器的煤壁垮落程度评估模型，并对煤壁垮落程度进行评估。

步骤三、逻辑处理单元5获取煤壁垮落程度的在线评估结果生成采煤机当前的控制指令，并传输至采煤机机载控制单元6实现采煤机牵引速度的自动调节；煤壁垮落程度根据煤壁垮落体积占比划分为正常、轻度、中等和严重四种级别；设滚筒直径为d，顶底板高度h，采煤机滚筒截割深度为w，则所述煤壁垮落体积占比α为：

α＝(ahd)/(dhw)×100％；

当α≤10％时没有煤壁垮落程度，即为正常级别；当10％＜α≤20％时，煤壁垮落程度为轻度级别；当20＜α≤40％时，煤壁垮落程度为中等级别；当α＞40％时，煤壁垮落程度为重度级别。

当煤壁垮落程度为正常级别或轻度级别时，执行步骤六；当煤壁垮落程度为中等级别时，执行步骤五；当煤壁垮落程度为重度级别时，执行步骤四。

步骤四、采煤机机载控制单元6降低采煤机牵引速度，并判断是否降至当前速度的1/2；若小于当前速度的1/2，则继续判断下一帧煤壁图像的垮落程度；若煤壁垮落程度仍为重度级别，则继续降低牵引速度，并判断是否降至当前速度的1/2；若煤壁垮落程度为中等级别，执行步骤五；若煤壁垮落程度为轻度或正常级别，则执行步骤六。

步骤五、采煤机机载控制单元6降低采煤机牵引速度，并判断是否降至当前速度的2/3；若小于当前速度的2/3，则继续判断下一帧煤壁图像的垮落程度；若煤壁垮落程度仍为中等级别，则继续降低牵引速度，并判断是否降至当前速度的2/3；若煤壁垮落程度为轻度或正常级别，执行步骤六；若煤壁垮落程度为重度级别，则执行步骤四。

步骤六、牵引电机电流采集单元8采集牵引电机电流，并传输至电流信号处理单元9进行滤波处理，逻辑处理单元5获取滤波处理结果生成采煤机控制指令，并传输至采煤机机载控制单元6实现采煤机牵引速度的自动调节；判断当前牵引电机电流i牵是否超过牵引额定电流i牵额，若i牵＞i牵额，则降低采煤机牵引速度，直至i牵≤i牵额。

步骤七、截割电机电流采集单元7采集截割电机电流，并传输至电流信号处理单元9进行滤波处理，逻辑处理单元5获取滤波处理结果生成采煤机控制指令，并传输至采煤机机载控制单元6实现采煤机牵引速度的自动调节；判断当前截割电机电流i截是否超过截割额定电流i截额，若i截＞i截额，则降低采煤机牵引速度，直至i截≤i截额；若i牵≤i牵额且i截≤i截额，则提高牵引速度，以保证煤炭生产效率。

步骤八、判断i牵和i截是否“正常”，即是否i牵设≤i牵≤i牵额，i截设≤i截≤i截额，且设定电流i牵设＝0.8i牵额，i截设＝0.8i截额；若i牵和i截不“正常”，则继续提高牵引速度；若i牵和i截“正常”，则保持当前牵引速度运行。

在上述步骤中，牵引速度调节的控制指令均发至采煤机机载控制单元6，并通过电信号传至采煤机机身内部的变频器，实现采煤机牵引速度的升高或降低。

综上所述，本发明公开的一种基于煤壁垮落程度的采煤机牵引速度自动控制方法，基于煤壁垮落程度对采煤机牵引速度进行自动调节，当煤壁垮落程度较严重时，通过降低牵引速度，减少滚筒的出煤量，缓解了由于煤壁垮落而导致刮板输送机的负载突变，提高了驱动电机使用寿命，降低了采区电网波动性，保障了整个综采工作面的生产安全；同时，当煤壁垮落程度较低时，可以根据牵引电机和截割电机电流的大小适当提高牵引速度，增加滚筒出煤量，进一步保障煤炭生产效率。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现和使用本发明。对这些实施例的多种修改方式对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。