СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ СКОРОСТИ ХОДА УГОЛЬНОГО КОМБАЙНА НА ОСНОВАНИИ СТЕПЕНИ ОБРУШЕНИЯ УГОЛЬНОГО ЗАБОЯ
METHOD FOR AUTOMATIC CONTROL OF SPEED OF COAL HARVESTER BASED ON DEGREE OF COAL FACE CAVITY

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Настоящее изобретение относится к области технологий управления угольным комбайном, и в частности, к способу автоматического контроля скорости хода угольного комбайна на основании степени обрушения угольного забоя.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] Угольный комбайн - это одно из устройств, предназначенных для механизации и модернизации разработки угольной шахты. Механизированная добыча угля может максимально ограничить ручной труд и повысить уровень безопасности, достичь высокой производительности, высокой эффективности и низкого потребления ресурсов. С увеличением высоты очистного пространства при выемке на комплексно-механизированном угольном забое, легко вызвать его обрушение в процессе добычи угля. Обрушение угольного забоя - одна из наиболее распространенных аварий в процессе полностью механизированной разработки угольной шахты. Большое обрушение угольного забоя приводит к утечке в гидравлической крепи и повреждению опорной конструкции. Чрезмерное обрушение приводит к резкому изменению в нагрузке на скребковом транспортере на очистном забое, повреждению приводного двигателя и представляет собой угрозу для стабильности электрической сети в районе добычи полезных ископаемых. В этом случае, если влияние обрушения угольного забоя на скорость хода не принимается во внимание, то возникновение опасных аварий неизбежно усугубляется. Таким образом, разумное регулирование скорости хода угольного комбайна представляет собой гарантию совместной работы «трех машин» на комплексно-механизированном угольном забое.
[0003] В настоящее время, способ контроля скорости хода угольного комбайна, главным образом, основывается на том, что операторы видят, слышат, а также на их личном опыте. Тем не менее, из-за того, что в угольном забое приходится сталкиваться с неблагоприятными условиями, способ, упомянутый выше, ненадежен и часто становится причиной аварий в угольной шахте, а эффективность управления не соответствует ожиданиям.
[0004] Следовательно, ввиду проблем, изложенных выше, необходимо предложить способ автоматического контроля скорости хода угольного комбайна, реализовать эффективность добычи на мощном угольном пласте и обеспечить безопасность производства на всем комплексно-механизированном угольном забое.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0005] С этой целью, по настоящему изобретению раскрывается способ автоматического контроля скорости хода угольного комбайна на основании степени обрушения угольного забоя. Автоматический контроль скорости хода осуществляется на основании исчерпывающего учета обрушения угольного забоя, тока двигателя для резания, тока двигателя для тяги и скорости хода угольного комбайна, благодаря чему обеспечиваются более высокая эффективность добычи угля и безопасность персонала.
[0006] Согласно цели настоящего изобретения, предлагается способ автоматического контроля скорости хода угольного комбайна на основании степени обрушения угольного забоя, включающий в себя следующие этапы:
[0007] Э1. при помощи блока распознавания изображения угольного забоя, получение сигнала изображения угольного забоя и отправка сигнала изображения на блок обработки сигнала изображения при помощи блока передачи радиосигнала, для извлечения признаков в вектор признаков, который отражает степень обрушения угольного забоя на изображении, в результате чего могут быть получены максимальная ширина обрушения, максимальная высота обрушения и максимальная глубина обрушения угольного забоя, которые обозначаются как a, h и d соответственно;
[0008] Э2. при помощи блока оценки обрушения угольного забоя, реализация оперативной оценки степени обрушения угольного забоя с использованием информации о признаках; построение входного вектора с использованием трех значений признаков a, h и d по каждому кадру изображения, построение обучающей выборки с использованием степени обрушения угольного забоя в качестве выходного вектора для обучения классификатора и создания модели оценки степени обрушения угольного забоя на основании классификатора, и оценка степени обрушения угольного забоя;
[0009] Э3. при помощи блока логической обработки, получение результата оперативной оценки степени обрушения угольного забоя для создания инструкции по регулировке тока для угольного комбайна, а также передача инструкции по регулировке тока на бортовой блок управления угольным комбайном для автоматической регулировки скорости хода угольного комбайна, при этом степень обрушения угольного забоя подразделяется на четыре уровня: нормальная, умеренная, средняя и большая, в зависимости от размера обрушения угольного забоя; если степень обрушения угольного забоя нормальная или умеренная, то выполняется Э6; если степень обрушения угольного забоя средняя, то выполняется Э5; и если степень обрушения угольного забоя большая, то выполняется Э4;
[0010] Э4. при помощи бортового блока управления угольным комбайном, снижение скорости хода угольного комбайна и определение необходимости снизить скорость хода до 1/2 текущей скорости; если скорость хода меньше 1/2 текущей скорости, то продолжается определение степени обрушения на следующем кадре изображения угольного забоя; если степень обрушения угольного забоя по-прежнему большая, то скорость хода снижается еще, и определяется необходимость снижения скорости хода до 1/2 текущей скорости; если степень обрушения угольного забоя средняя, то выполняется Э5; а если степень обрушения угольного забоя умеренная или нормальная, то выполняется Э6;
[0011] Э5. при помощи бортового блока управления угольным комбайном, снижение скорости хода угольного комбайна и определение необходимости снизить скорость хода до 2/3 текущей скорости; если скорость хода меньше 2/3 текущей скорости, то продолжается определение степени обрушения на следующем кадре изображения угольного забоя; если степень обрушения угольного забоя по-прежнему средняя, то скорость хода снижается еще, и определяется необходимость снижения скорости хода до 2/3 текущей скорости; если степень обрушения угольного забоя умеренная или нормальная, то выполняется Э6; а если степень обрушения угольного забоя большая, то выполняется Э4;
тяг.
ном. тяг.
тяг.
ном. тяг.
тяг.
ном. тяг.
[0012] Э6. получение значения тока двигателя для тяги, и передача значения тока двигателя для тяги на блок обработки токового сигнала для фильтрующей обработки; получение результата фильтрующей обработки при помощи блока логической обработки для создания инструкции по регулировке для угольного комбайна, и передача инструкции по регулировке на бортовой блок управления угольным комбайном для автоматической регулировки скорости хода угольного комбайна; а также определение того, превышает ли текущее значение тока двигателя для тяги I номинальное значение тока для тяги I, и если I>I, то выполняется снижение скорости хода угольного комбайна, до тех пор, пока I не будет ≤I;
рез.
ном. рез.
рез.
ном. рез.
рез.
ном. рез.
тяг.
ном. тяг.
рез≤
ном. рез.
[0013] Э7. получение значения тока двигателя для резания, и передача значения тока двигателя для резания на блок обработки токового сигнала для фильтрующей обработки; получение результата фильтрующей обработки при помощи блока логической обработки для создания инструкции по регулировке для угольного комбайна, и передача инструкции по регулировке на бортовой блок управления угольным комбайном для автоматической регулировки скорости хода угольного комбайна; а также определение того, превышает ли текущее значение тока двигателя для резания I номинальное значение тока для резания I, и если I>I, то выполняется снижение скорости хода угольного комбайна, до тех пор, пока I не будет ≤I; или если I≤I и II, то выполняется увеличение скорости хода;
тяг.
рез.
уст. тяг.
тяг.
ном. тяг.
уст. рез.
рез.
ном. рез.
уст. тяг.
ном. рез.
уст. рез.
ном. рез.
тяг.
рез.
тяг.
рез.
[0014] Э8. определение того, являются ли значения I и I «нормальными», то есть, составляет ли I≤I≤I, и I≤I≤I, при этом установленное значение тока I= 0,8×I, а I= 0,8×I; если I и I не являются «нормальными», то скорость хода увеличивается еще; а если I и I являются «нормальными», то текущая скорость хода сохраняется.
[0015] В предпочтительном варианте степень обрушения угольного забоя на Э3 разделяется, и, если предположить, что диаметр ролика - D, высота между потолком и полом - H, а глубина резания ролика угольного комбайна - W, то размер α обрушения угольного забоя составляет:
[0016] α = (ahd)/(DHW) × 100%, при этом
[0017] если α≤10%, то определяется, что обрушение угольного забоя отсутствует, то есть степень обрушения угольного забоя нормальная; если 10%<α≤20%, то степень обрушения угольного забоя умеренная; если 20<α≤40%, то степень обрушения угольного забоя средняя; если α>40%, то степень обрушения угольного забоя большая.
[0018] В сравнении с предыдущим уровнем техники, способ автоматического контроля скорости хода угольного комбайна на основании степени обрушения угольного забоя по настоящему изобретению имеет следующие преимущества:
[0019] (1) Согласно настоящему изобретению, скорость хода угольного комбайна автоматически регулируется на основании степени обрушения угольного забоя, и если степень обрушения угольного забоя относительно большая, то скорость хода снижается, чтобы снизить объем добываемого угля на ролике, благодаря чему удается смягчить неожиданное изменение в нагрузке скребкового транспортера из-за обрушения угольного забоя, увеличить срок службы приводного двигателя, снизить нестабильность электрической сети в районе добычи полезных ископаемых, а также обеспечить безопасность производства на всем комплексно-механизированном угольном забое.
[0020] (2) Согласно настоящему изобретению, если степень обрушения угольного забоя относительно низкая, то скорость хода может быть соответственно увеличена, а объем добываемого угля на ролике может быть увеличен с учетом значения тока двигателя для тяги и значения тока двигателя для резания, чтобы обеспечить требуемую эффективность разработки угля в дальнейшем.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0021] Для более точного описания технических решений в вариантах осуществления настоящего изобретения или на предыдущем уровне техники далее приведено краткое описание прилагаемых чертежей, необходимых для описания вариантов осуществления или предыдущего уровня техники. Очевидно, что в прилагаемых чертежах в следующем описании показано только несколько вариантов осуществления настоящего изобретения и специалистами в данной области техники могут быть получены другие чертежи на основании этих прилагаемых чертежей без творческих усилий.
[0022] На фиг. 1 представлена схема системы по настоящему изобретению; а
[0023] на фиг. 2 представлена блок-схема контроля скорости хода по настоящему изобретению, при этом
[0024] наименования составляющих частей обозначаются следующими номерами или буквами на фигурах:
[0025] 1 - блок распознавания изображения угольного забоя; 2 - блок передачи радиосигнала; 3 - блок обработки сигнала изображения; 4 - блок оценки обрушения угольного забоя; 5 - блок логической обработки; 6 - бортовой блок управления угольным комбайном; 7 - блок получения значения тока двигателя для резания; 8 - блок получения значения тока двигателя для тяги; 9 - блок обработки токового сигнала; 10 - блок хранения данных.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0026] Конкретные варианты осуществления настоящего изобретения кратко описаны ниже, со ссылкой на прилагаемые чертежи. Очевидно, что описываемые варианты осуществления представляют собой лишь некоторые варианты осуществления настоящего изобретения, а не все из них. Все другие варианты осуществления, получаемые специалистом в данной области техники без творческих усилий, и основывающиеся на вариантах осуществления настоящего изобретения, должны укладываться в объем правовой охраны настоящего изобретения.
[0027] На Фиг. 1 - Фиг. 2 представлены предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, которые анализируются раздельно, с разных точек зрения.
[0028] Система автоматического контроля скорости хода угольного комбайна на основании степени обрушения угольного забоя, представленная на фиг. 1, включает в себя блок распознавания изображения угольного забоя 1, блок передачи радиосигнала 2, блок обработки сигнала изображения 3, блок оценки обрушения угольного забоя 4, блок хранения данных 10, блок логической обработки 5, блок получения значения тока двигателя для резания 7, блок получения значения тока двигателя для тяги 8, блок обработки токового сигнала 9 и бортовой блок управления угольным комбайном 6. Блок распознавания изображения угольного забоя 1, блок передачи радиосигнала 2, блок обработки сигнала изображения 3, блок оценки обрушения угольного забоя 4, блок логической обработки 5 и бортовой блок управления угольным комбайном 6 имеют последовательное электрическое соединение. Блок хранения данных 10 имеет отдельное электрическое соединение с блоком обработки сигнала изображения 3 и блоком обработки токового сигнала 9. Блок обработки токового сигнала 9 имеет отдельное электрическое соединение с блоком получения значения тока двигателя для резания 7, блоком получения значения тока двигателя для тяги 8 и блоком логической обработки 5.
[0029] Блок распознавания изображения угольного забоя 1 получает видеосигнал изображения угольного забоя в режиме реального времени при помощи камеры глубины с высоким разрешением, и передает сигнал в блок обработки сигнала изображения 3 при помощи блока передачи радиосигнала 2. Блок распознавания изображения угольного забоя 1 использует камеру глубины с высоким разрешением и установлен в верхней части угольного комбайна. Блок обработки сигнала изображения 3 обрабатывает каждый кадр изображения угольного забоя, и может непосредственно получить признаки области впадины, образуемой после обрушения угольного забоя, то есть, признаки обрушения угольного забоя, точнее, максимальную глубину обрушения, максимальную высоту обрушения и максимальную ширину обрушения угольного забоя. Блок оценки обрушения угольного забоя 4 может создать обучающую выборку с использованием информации о признаках и степени обрушения угольного забоя, а также обучить классификатор, после чего выполняется оценка степени обрушения угольного забоя. В частности, функция блока оценки обрушения угольного забоя 4 реализуется путем обучения модели классификатора. Каждая обучающая выборка включает в себя информацию о признаках обрушения угольного забоя на каждом кадре изображения и соответствующую степень обрушения угольного забоя. Количество обучающих выборок определяется на основании максимальной точности подготовки в рамках 100 моделирующих экспериментов. Блок оценки обрушения угольного забоя берет значение признаков обрушения угольного забоя на кадре изображения в качестве исходных данных для модели классификатора, чтобы выполнить оперативную оценку степени обрушения угольного забоя. Выбор блока оценки обрушения угольного забоя 4 не ограничен, способ опорных векторов может использоваться в качестве классификатора, и алгоритм имеет высокую стабильность и высокую точность распознавания. В качестве альтернативного варианта, может быть выбран нейросетевой классификатор.
[0030] Блок получения значения тока двигателя для резания 7 и блок получения значения тока двигателя для тяги 8, соответственно, предназначены для получения тока двигателя для резания и тока двигателя для тяги угольного комбайна, а блок обработки токового сигнала 9 предназначен для выполнения фильтрующей обработки сигнала тока двигателя для резания и сигнала тока двигателя для тяги. В частности, как блок получения значения тока двигателя для резания 7, так и блок получения значения тока двигателя для тяги 8 получают значение тока двигателя для резания и значение тока двигателя для тяги при помощи трансформатора тока.
[0031] Согласно способу, блок логической обработки 5 получает результат оперативной оценки степени обрушения угольного забоя и результат фильтрующей обработки токового сигнала для создания инструкции по регулировке тока для угольного комбайна, и передает инструкцию по регулировке тока на бортовой блок управления угольным комбайном 6 для автоматической регулировки скорости хода угольного комбайна. Бортовой блок управления угольным комбайном 6, при помощи электрического сигнала, связывается с инвертором, установленным внутри корпуса угольного комбайна, и отправляет инструкцию на ускорение или уменьшение скорости для регулировки хода угольного комбайна.
[0032] Блок хранения данных 10 предназначен для хранения обработанного токового сигнала и результата обработки изображения.
[0033] Способ автоматического контроля скорости хода угольного комбайна на основании степени обрушения угольного забоя, представленный на фиг. 2, включает в себя следующие этапы:
[0034] Этап 1. Получение сигнала изображения угольного забоя при помощи блока распознавания изображения угольного забоя 1, и отправка сигнала изображения на блок обработки сигнала изображения 3 при помощи блока передачи радиосигнала 2, для извлечения признаков на векторе признаков, который представляет собой изображение, и на котором отображается степень обрушения угольного забоя, чтобы получить максимальную ширину обрушения, максимальную высоту обрушения и максимальную глубину обрушения угольного забоя, которые обозначаются как a, h и d соответственно.
[0035] Этап 2. Блок оценки обрушения угольного забоя 4 выполняет оперативную оценку степени обрушения угольного забоя с использованием информации о признаках; построение входного вектора с использованием трех значений признаков a, h и d по каждому кадру изображения, построение обучающей выборки с использованием степени обрушения угольного забоя в качестве выходного вектора для обучения машины опорных векторов и создания модели оценки степени обрушения угольного забоя на основании способа опорных векторов, то есть классификатора, и оценивает степень обрушения угольного забоя.
[0036] Этап 3. Блок логической обработки 5 получает результат оперативной оценки степени обрушения угольного забоя, чтобы создать инструкцию по регулировке тока для угольного комбайна, а также передает инструкцию по регулировке тока на бортовой блок управления угольным комбайном 6 для автоматической регулировки скорости хода угольного комбайна, при этом степень обрушения угольного забоя подразделяется на четыре уровня: нормальная, умеренная, средняя и большая, в зависимости от размера обрушения угольного забоя; предполагается, что диаметр ролика - D, высота между потолком и полом - H, а глубина резания ролика угольного комбайна - W, размер α обрушения угольного забоя составляет:
[0037] α = (ahd)/(DHW) × 100%, при этом
[0038] если α≤10%, то определяется, что обрушение угольного забоя отсутствует, то есть степень обрушения угольного забоя нормальная; если 10%<α≤20%, то степень обрушения угольного забоя умеренная; если 20<α≤40%, то степень обрушения угольного забоя средняя; если α>40%, то степень обрушения угольного забоя большая.
[0039] Если степень обрушения угольного забоя нормальная или умеренная, то выполняется Э6; если степень обрушения угольного забоя средняя, то выполняется Э5; и если степень обрушения угольного забоя большая, то выполняется Э4.
[0040] Этап 4. Бортовой блок управления угольным комбайном 6 снижает скорость хода угольного комбайна и определяет необходимость снизить скорость хода до 1/2 текущей скорости; если скорость хода меньше 1/2 текущей скорости, то блок продолжает определять степень обрушения на следующем кадре изображения угольного забоя; если степень обрушения угольного забоя по-прежнему большая, то блок продолжает снижать скорость хода, и определяет необходимость снижения скорости хода до 1/2 текущей скорости; если степень обрушения угольного забоя средняя, то выполняется Э5; а если степень обрушения угольного забоя умеренная или нормальная, то выполняется Э6.
[0041] Этап 5. Бортовой блок управления угольным комбайном 6 снижает скорость хода угольного комбайна и определяет необходимость снизить скорость хода до 2/3 текущей скорости; если скорость хода меньше 2/3 текущей скорости, то блок продолжает определять степень обрушения на следующем кадре изображения угольного забоя; если степень обрушения угольного забоя по-прежнему большая, то блок продолжает снижать скорость хода, и определяет необходимость снижения скорости хода до 2/3 текущей скорости; если степень обрушения угольного забоя умеренная или нормальная, то выполняется Э6; а если степень обрушения угольного забоя большая, то выполняется Э4.
тяг.
ном. тяг.
тяг.
ном. тяг.
тяг.
ном. тяг.
[0042] Этап 6. Блок получения значения тока двигателя для тяги 8 получает значение тока двигателя для тяги и передает значение тока двигателя для тяги на блок обработки токового сигнала 9 для фильтрующей обработки; блок логический обработки 5 получает результат фильтрующей обработки для создания инструкции по регулировке для угольного комбайна и передает инструкцию по регулировке на бортовой блок управления угольным комбайном 6 для автоматической регулировки скорости хода угольного комбайна; а также определяет, превышает ли текущее значение тока двигателя для тяги I номинальное значение тока для тяги I, и если I>I, то снижает скорость хода угольного комбайна, до тех пор, пока I не будет ≤I.
рез.
ном. рез.
рез.
ном. рез.
рез.
ном. рез.
тяг.
ном. тяг.
рез.
ном. рез.
[0043] Этап 7. Блок получения значения тока двигателя для резания 7 получает значение тока двигателя для резания и передает значение тока двигателя для резания на блок обработки токового сигнала 9 для фильтрующей обработки; блок логической обработки 5 получает результат фильтрующей обработки для создания инструкции по регулировке для угольного комбайна и передает инструкцию по регулировке на бортовой блок управления угольным комбайном 6 для автоматической регулировки скорости хода угольного комбайна; а также определяет, превышает ли текущее значение тока двигателя для резания I номинальное значение тока для резания I, и если I>I, то снижает скорость хода угольного комбайна, до тех пор, пока I не будет ≤I; или если I≤I и I≤I, то увеличивает скорость хода, чтобы обеспечить требуемую эффективность разработки угля.
тяг.
рез.
уст. тяг.
тяг.
ном. тяг.
уст. рез.
рез.
ном. рез.
уст. тяг.
ном. рез.
уст. рез.
ном. рез.
тяг.
рез.
тяг.
рез.
[0044] Этап 8. Определение того, являются ли значения I и I «нормальными», то есть, составляет ли I≤I≤I, и I≤I≤I, при этом установленное значение тока I= 0,8×I, а I= 0,8×I; если I и I не являются «нормальными», то скорость хода увеличивается еще; а если I и I являются «нормальными», то текущая скорость хода сохраняется.
[0045] В рамках этапов, приведенных выше, все инструкции по регулировке скорости хода отправляются на бортовой блок управления угольным комбайном 6 и инвертор внутри корпуса угольного комбайна при помощи электрического сигнала, за счет чего и производится увеличение или уменьшение скорости хода угольного комбайна.
[0046] В заключение, согласно способу автоматического контроля скорости хода угольного комбайна на основании степени обрушения угольного забоя по настоящему изобретению, скорость хода угольного комбайна автоматически регулируется на основании степени обрушения угольного забоя, и если степень обрушения угольного забоя относительно большая, то скорость хода снижается, чтобы снизить объем добываемого угля на ролике, благодаря чему удается смягчить неожиданное изменение в нагрузке скребкового транспортера из-за обрушения угольного забоя, увеличить срок службы приводного двигателя, снизить нестабильность электрической сети в районе добычи полезных ископаемых, а также обеспечить безопасность производства на всем комплексно-механизированном угольном забое. Если степень обрушения угольного забоя относительно низкая, то скорость хода может быть соответственно увеличена, а объем добываемого угля на ролике может быть увеличен с учетом значения тока двигателя для тяги и значения тока двигателя для резания, чтобы обеспечить требуемую эффективность разработки угля в дальнейшем.
[0047] Описание раскрытых вариантов осуществления выше может позволить специалисту реализовать и использовать настоящее изобретение. Различные модификации настоящих вариантов осуществления очевидны для специалиста, а общие принципы, представленные в настоящем документе, могут быть воплощены в других вариантах осуществления изобретения без отступления от существа и объема настоящего изобретения. Следовательно, настоящее изобретение не ограничивается вариантами осуществления, приведенными в настоящем документе, но максимально широко соответствует принципам и элементам новизны, раскрытым в настоящем документе.