基于PLC 控制的采煤機(jī)自動割煤技術(shù)的研究與設(shè)計

齊寅偉

（西山礦業(yè)管理有限公司， 山西 太原 030053）

引言

智能化開采對采煤機(jī)的要求是可以隨著煤層的覆存條件及開采的狀態(tài)達(dá)到自動調(diào)節(jié)的目的。在采煤機(jī)智能開采的技術(shù)中，狀態(tài)感知及智能控制是其核心的技術(shù)。此前眾多學(xué)者對采煤機(jī)的智能化開采做出過一定的研究。何廣東[1]基于PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計了采煤機(jī)的自動化、智能化割煤控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了綜采工作面無人、少人模式下采煤機(jī)記憶割煤功能。郭衛(wèi)[2]針對目前基于組態(tài)軟件設(shè)計的采煤機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)存在的不足，設(shè)計了采煤機(jī)智能化控制系統(tǒng)，環(huán)境參數(shù)信號能夠?qū)Σ擅簷C(jī)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)速、調(diào)高以及停機(jī)等功能。路染妮[3]研究了采煤機(jī)的煤巖體識別技術(shù)和割煤技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)自動化和遠(yuǎn)程操控，為系統(tǒng)監(jiān)測工作及時提供科學(xué)準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)。本文結(jié)合采煤機(jī)在煤礦井下的實(shí)際工況，對采煤機(jī)的自動化、智能化割煤控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，實(shí)現(xiàn)了煤礦綜采工作面的無人化、自動化開采。

1 滾筒采煤機(jī)的自動割煤控制系統(tǒng)的設(shè)計

滾筒采煤機(jī)的自動割煤控制系統(tǒng)主要由主控單元、自動控制單元、執(zhí)行單元、信號采集單元和手動控制單元組成。傳感器作為采煤機(jī)的主要監(jiān)測設(shè)備主要體現(xiàn)在機(jī)械傳動、采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及環(huán)境等方面，對相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，將監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行對采煤機(jī)主板的匯總，為采煤機(jī)主板對采煤機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行及時有效的監(jiān)測。采煤機(jī)的主板一般包括的技術(shù)參數(shù)有采煤機(jī)的開關(guān)信號、頻率信號、擬量輸入信號及繼電器信號燈。根據(jù)其工作參數(shù)將其分為了電氣控制板、液壓水路控制板、機(jī)械傳動控制板及姿態(tài)監(jiān)控控制板。

滾筒采煤機(jī)的電氣主控板的技術(shù)參數(shù)主要包含：電壓等級、輸出電流、電壓變送器等。通過在采煤機(jī)的牽引電機(jī)部位安裝兩個電流傳感器，電流傳感器量程為0～500 A；同時在滾筒兩側(cè)的滾筒及牽引電機(jī)上安裝2 個C 型溫度傳感器，量程小于200 ℃，可通過電機(jī)的扭矩來監(jiān)測和判斷滾筒的負(fù)載情況。液壓水路主控板主要有液壓油箱液位傳感器、壓力傳感器及溫度傳感器。通過壓力傳感器記錄進(jìn)出口的壓力，當(dāng)進(jìn)出口出現(xiàn)壓力過大的情況時，考慮進(jìn)出口堵塞，當(dāng)進(jìn)出口壓力較低時，考慮出現(xiàn)漏液及泄露問題。在冷卻水進(jìn)出口的位置布置溫度傳感器，溫度傳感器的型號選擇為WS9050，用于監(jiān)控冷卻口的溫度。在滾筒的油缸兩側(cè)分別安裝J120-192 壓力傳感器，數(shù)字采集量口5 個，模擬采集量為18 個，線路接口1 個。

傳動監(jiān)控系統(tǒng)在油箱的內(nèi)部安裝軸承溫度傳感器，以此來反應(yīng)油箱內(nèi)部的溫度，型號為WS9050，供電電壓設(shè)定為DC24 V。同時在機(jī)組的箱體內(nèi)部安裝瓦斯?jié)舛葌鞲衅?，瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞯男吞枮镈J4G，額定的供電電壓為660 V/380 V/36 V，瓦斯?jié)舛葌鞲衅骶邆洚惓Ｐ畔⒌妮敵鲂阅?，以達(dá)到報警的作用。同時布置2 路電源，均為18 V。

采煤機(jī)運(yùn)行姿態(tài)監(jiān)控板主要包括了滾筒的高度及采煤機(jī)工作的傾角。在滾筒的搖臂位置布置位置監(jiān)控板，位置監(jiān)控板可以根據(jù)左右搖臂的角度來計算采煤機(jī)的滾筒工作高度。采煤機(jī)的傾角計算主要依靠雙軸的傾斜角度及電子的傾角。在采煤機(jī)滾筒的齒輪部位安裝旋轉(zhuǎn)編碼器，系統(tǒng)還具有采集器6個及上下聯(lián)接口各一個[4]。

滾筒采煤機(jī)的智能化運(yùn)行控制主要依靠運(yùn)行控制器及主控板完成，可以實(shí)現(xiàn)對各個電動機(jī)的斷電、送電等指令。同時可以控制電動機(jī)的啟動和停止、滾筒的截割高度、牽引力換向等命令。智能控制系統(tǒng)不需要邏輯語言運(yùn)算，依靠于工作人員的手動操作命令。采煤機(jī)手柄控制單元用于收集人工的命令并將其傳輸至采煤機(jī)控制板，以達(dá)到工作的合理有序。采煤機(jī)的智能化算法是采煤機(jī)自動割煤的重要依據(jù)，其核心為中央控制器。中央控制板通過對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理利用煤巖識別技術(shù)或采煤機(jī)記憶割煤進(jìn)行命令處理，并將命令發(fā)于采煤機(jī)的運(yùn)行控制板。滾筒采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)示意圖如圖1 所示。

圖1 滾筒采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計示意圖

2 自動割煤控制系統(tǒng)的煤巖體識別功能

煤巖識別技術(shù)作為自動割煤控制系統(tǒng)的核心，主要依靠安裝在煤巖的接觸面上的傳感器，監(jiān)測和記錄采煤機(jī)滾筒的油缸壓力和電機(jī)的電流。滾筒采煤機(jī)在截割作業(yè)的過程中由于滾筒油缸壓力及電機(jī)電流作用產(chǎn)生一定的波動，由于煤層與巖層的硬度不同采煤機(jī)的波動幅度也是不同的，當(dāng)采煤機(jī)進(jìn)行割煤時由于煤層的硬度較低，采煤機(jī)的波動幅度較低，當(dāng)采煤機(jī)進(jìn)行割煤時，由于巖層的硬度較大，電動機(jī)的電流及滾筒的油缸壓力均升高，所以采煤機(jī)的振動幅度也就較大，通過這些途徑來實(shí)現(xiàn)煤巖體的識別。在割煤作業(yè)時，采煤機(jī)的滾筒轉(zhuǎn)速、牽引電機(jī)的電流、滾筒的油缸壓力等均處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時的采煤機(jī)在作業(yè)時只會自上向下運(yùn)動，不會水平移動。與此同時，通過預(yù)先設(shè)定的數(shù)值，當(dāng)采煤機(jī)滾筒上方的油缸壓力會在滾筒升至設(shè)定高度時停止，避免截齒截割巖層[5]。

當(dāng)智能化監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)得出滾筒電機(jī)的載荷電流增大，滾筒的油缸壓力也呈現(xiàn)出增大的趨勢，此時滾筒接觸到了巖層，此時在滾筒的轉(zhuǎn)速一定的前提下，對油缸的上腔部位進(jìn)行注油，此時采煤機(jī)的滾筒在共同作用下會出現(xiàn)降低的情況，避免繼續(xù)出現(xiàn)割巖的現(xiàn)象。當(dāng)采煤機(jī)的滾筒在接觸到巖層后出現(xiàn)降低后，此時隨著降低的幅度逐步增大，采煤機(jī)滾筒油缸內(nèi)部的油液恢復(fù)到正常的壓力，此時采煤機(jī)的滾筒停止降低，開始正常割煤。當(dāng)頂板的巖層截割角度大于綜采面頂板的極限傾角時，此時采煤機(jī)的控制系統(tǒng)會發(fā)出異常信號，此時采煤機(jī)根據(jù)指令會降低牽引速度和采煤機(jī)的滾筒轉(zhuǎn)速，保證采煤機(jī)的正常運(yùn)行。在通過滾筒控制算法對其進(jìn)行有效控制的前提下還需根據(jù)電動機(jī)的電流、采煤機(jī)的滾筒轉(zhuǎn)速、采煤機(jī)運(yùn)行速度等進(jìn)行控制，達(dá)到滾筒采煤機(jī)的自動化割煤。

3 結(jié)語

采煤機(jī)的智能化割煤在實(shí)際生產(chǎn)中不僅截割效率高，同時可以有效地減小礦山工作人員的勞動強(qiáng)度，提升礦山的安全性?，F(xiàn)階段的煤巖識別技術(shù)可以有效地識別煤層與巖層且準(zhǔn)確率高，所以采煤機(jī)的智能控制已經(jīng)成為了礦山的熱門課題，本文根據(jù)已有的資料對采煤機(jī)的智能控制系統(tǒng)進(jìn)行一定的設(shè)計，為建設(shè)智慧化高產(chǎn)、高效礦井奠定基礎(chǔ)。