基于負(fù)載自適應(yīng)預(yù)測(cè)的采煤機(jī)調(diào)速系統(tǒng)協(xié)同控制

高國(guó)強(qiáng)

（陽(yáng)煤一礦機(jī)電工區(qū)信息中心， 山西 陽(yáng)泉 045008）

1 綜采裝備的協(xié)同工作過(guò)程

在綜采工作面當(dāng)中，采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)和液壓支架是主要的機(jī)電裝備，它們的尺寸必須相互匹配，在運(yùn)行過(guò)程中要高度配合，這就是所謂的“三機(jī)配套”。通常，在水平運(yùn)輸和傾斜運(yùn)輸中，都可使用刮板輸送機(jī)。在采煤環(huán)節(jié)中，采煤機(jī)的行走齒輪會(huì)嚙合刮板運(yùn)輸機(jī)銷排。這個(gè)時(shí)候，在采煤機(jī)煤壁側(cè)安裝的滑靴會(huì)在刮板運(yùn)輸機(jī)上滑動(dòng)，可將采煤機(jī)視為在刮板運(yùn)輸機(jī)上來(lái)回運(yùn)動(dòng)，煤層高度會(huì)不斷有起伏，這就需要在左右方向上調(diào)高油缸，從而改變截割滾筒的高度。實(shí)施截割時(shí)，采煤機(jī)將煤塊破碎切割下來(lái)，螺旋葉片會(huì)將其送到刮板輸送機(jī)中。煤炭通過(guò)刮板輸送機(jī)被轉(zhuǎn)到順槽的刮板輸送機(jī)端部后傾卸到轉(zhuǎn)載機(jī)中，再經(jīng)破碎機(jī)轉(zhuǎn)移到帶式輸送機(jī)中，最終實(shí)現(xiàn)煤炭的開(kāi)采、轉(zhuǎn)運(yùn)以及輸送[1]。

2 基于刮板輸送機(jī)負(fù)載預(yù)測(cè)的采煤機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的功能

1）收集傳感數(shù)據(jù)。收集各項(xiàng)參數(shù)，如刮板輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾電機(jī)電流、溫度以及采煤機(jī)速度、方位等。

2）應(yīng)用工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)S7協(xié)議通訊。在采煤機(jī)機(jī)載PLC、刮板輸送機(jī)機(jī)載PLC、組合開(kāi)關(guān)、順槽PLC之間傳輸數(shù)據(jù)。

3）監(jiān)控刮板輸送機(jī)和采煤機(jī)的聯(lián)合工作狀態(tài)。通過(guò)順槽監(jiān)控主機(jī)，有效監(jiān)測(cè)刮板輸送機(jī)、采煤機(jī)的運(yùn)行狀況，將收集到的采煤機(jī)及刮板輸送機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)通過(guò)Win CC的監(jiān)控系統(tǒng)顯示出來(lái)。

3 基于刮板輸送機(jī)負(fù)載預(yù)測(cè)的采煤機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體構(gòu)架設(shè)計(jì)

將系統(tǒng)劃分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)處理三部分。進(jìn)行數(shù)據(jù)收集使用的傳感器，由溫度傳感器、軸編碼器和電流互感器等構(gòu)成，主要是收集采煤機(jī)的速度、位置參數(shù)、電流參數(shù)。數(shù)據(jù)通信主要是創(chuàng)建系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)，通過(guò)無(wú)線MESH交換機(jī)，布局于順槽中，并在刮板輸送機(jī)機(jī)載PLC、采煤機(jī)機(jī)載PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。通過(guò)數(shù)據(jù)處理部分來(lái)預(yù)測(cè)刮板輸送機(jī)負(fù)載，檢測(cè)刮板輸送機(jī)、采煤機(jī)的狀態(tài)，并通過(guò)遠(yuǎn)程控制采煤機(jī)機(jī)載PLC有效控制采煤機(jī)的速度。

通過(guò)數(shù)據(jù)采集部分，收集刮板輸送機(jī)和采煤機(jī)數(shù)據(jù)，并傳輸至相應(yīng)的機(jī)載PLC，機(jī)載PLC應(yīng)用無(wú)線MESH交換網(wǎng)絡(luò)，把各項(xiàng)數(shù)據(jù)傳輸至由順槽控制的順槽PLC和主控計(jì)算機(jī)，通過(guò)主控計(jì)算機(jī)來(lái)預(yù)測(cè)、判定刮板輸送機(jī)負(fù)載，并控制采煤機(jī)的運(yùn)行速度，使用無(wú)線MESH交換網(wǎng)絡(luò)把調(diào)整速度的命令傳輸至采煤機(jī)機(jī)載PLC，使用采煤機(jī)機(jī)載PLC驅(qū)動(dòng)變頻器來(lái)調(diào)節(jié)采煤機(jī)的運(yùn)行速度。該系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)收集、網(wǎng)絡(luò)通訊以及數(shù)據(jù)處理，分別創(chuàng)建傳感器選型、工業(yè)以太網(wǎng)通訊平臺(tái)設(shè)計(jì)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[2]。

3.2 選型

應(yīng)用傳感器收集的數(shù)據(jù)，主要有采煤機(jī)速度、方位以及刮板輸送機(jī)的軸承溫度、電機(jī)電流等。所以，所用的傳感器大部分是溫度傳感器、電流互感器和軸編碼器。溫度傳感器使用的是GWP200型，主要用于采礦生產(chǎn)中，在刮板輸送機(jī)的機(jī)頭和機(jī)尾處安裝插入可拆式溫度傳感器，對(duì)電動(dòng)機(jī)軸承的溫度實(shí)施實(shí)施測(cè)量。電流互感器的型號(hào)為L(zhǎng)MZ-1，在組合開(kāi)關(guān)中安裝使用，實(shí)時(shí)收集刮板輸送機(jī)電流數(shù)據(jù)。軸編碼器是一種礦用本安型軸編碼器，型號(hào)為BQH24，在采煤機(jī)牽引減速箱內(nèi)的低速軸上安裝，運(yùn)用軸編碼裝置脈沖來(lái)進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過(guò)這種方法能算出采煤機(jī)在開(kāi)啟計(jì)數(shù)后在刮板輸送機(jī)上的運(yùn)動(dòng)距離，從而確定采煤機(jī)在工作狀態(tài)中所在的方位。

3.3 工業(yè)以太網(wǎng)通訊平臺(tái)設(shè)計(jì)

通過(guò)以太網(wǎng)通信系統(tǒng)來(lái)創(chuàng)建綜采工作面，在此基礎(chǔ)上，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控以及綜采工作面機(jī)電裝備的自動(dòng)化。在該系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)，通過(guò)無(wú)線MESH交換機(jī)，布局于順槽中，并在刮板輸送機(jī)機(jī)載PLC、采煤機(jī)機(jī)載PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，所用的硬件主要有PLC控制器以及無(wú)線MESH交換機(jī)。在運(yùn)用刮板輸送機(jī)預(yù)測(cè)負(fù)載的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建采煤機(jī)調(diào)速系統(tǒng)所具有的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。

圖1 采煤機(jī)調(diào)速系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、及時(shí)、同步的通訊，采煤機(jī)調(diào)速系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)運(yùn)用根據(jù)TCP/IP協(xié)議簽訂的西門子S7協(xié)議族，將不同的控制器的網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)。通過(guò)STEP7實(shí)現(xiàn)它的Net Pro網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，這是不同機(jī)載PLC進(jìn)行通訊的基礎(chǔ)。通過(guò)分析可知，綜采工作面所處的環(huán)境具有極高的復(fù)雜性，要通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信，如果設(shè)備位置發(fā)生變化或者是綜采工作面出現(xiàn)塌方，此時(shí)，通信電纜就會(huì)受到極大的破壞，從而切斷通訊，其穩(wěn)定性明顯降低，導(dǎo)致綜采工作面的生產(chǎn)狀況受阻。出現(xiàn)的這些問(wèn)題，應(yīng)用無(wú)線Mesh交換網(wǎng)絡(luò)機(jī)會(huì)順利解決。該系統(tǒng)使用的是礦用本安型無(wú)線交換機(jī)，其型號(hào)為KJJ12 7000，能快速輸出100/1 000 Mbps的以太網(wǎng)。應(yīng)用于綜采工作面的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，其數(shù)據(jù)傳輸距離超過(guò)50 m，其以太光網(wǎng)信號(hào)接口和以太網(wǎng)信號(hào)接口分別為1個(gè)和2個(gè)，工作過(guò)程中的數(shù)據(jù)快速傳輸以及網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備接入的需求能被充分滿足[3]。

3.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)搭建

在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，包含的硬件主要是PLC控制器以及集中控制箱，其功能是預(yù)測(cè)并判定刮板輸送機(jī)負(fù)載，明確顯示刮板輸送機(jī)和采煤機(jī)的狀態(tài)數(shù)據(jù)和采煤機(jī)當(dāng)中的PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而有效控制采煤機(jī)速度。

在調(diào)速系統(tǒng)中，PLC控制器占據(jù)核心地位，控制器主要有采煤機(jī)機(jī)載PLC控制器、刮板輸送機(jī)機(jī)載PLC控制器、順槽PLC控制器以及組合開(kāi)關(guān)PLC控制器，其型號(hào)都是SIMATIC S7-300。其任務(wù)主要是對(duì)傳感器收集到的信息進(jìn)行接收、處理。應(yīng)用MESH交換網(wǎng)絡(luò)以及工業(yè)以太網(wǎng)和順槽控制系統(tǒng)交換信息，有效控制采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)的開(kāi)啟和停止，對(duì)采煤機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行有效控制。

設(shè)計(jì)機(jī)載控制器，有效結(jié)合了監(jiān)控參數(shù)的數(shù)量和特征，并將控制系統(tǒng)的輸入輸出融合在內(nèi)，對(duì)PLC的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行高效配置。該系統(tǒng)使用的是礦用隔爆兼本安型集中控制箱，型號(hào)為KXJ0.5-1140，能與在井下安裝的無(wú)線Mesh交換機(jī)交換數(shù)據(jù)。集中控制箱是順槽控制系統(tǒng)主要構(gòu)成部件，主要由接線腔、變壓器腔以及主控腔構(gòu)成，見(jiàn)圖2。集中控制箱內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，包含多種工作設(shè)備，例如光電轉(zhuǎn)換模塊、SIMATICS7-300 PLC、HMI顯示屏和工業(yè)計(jì)算機(jī)等。

圖2 集中控制箱

[1] 徐剛.綜采工作面配套技術(shù)研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010（11）：1 921-1 924.

[2] 黃曾華.綜采工作面自動(dòng)化控制技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].工礦自動(dòng)化，2013（10）：17-21.

[3] 劉溫暖，趙永德.電牽引采煤機(jī)調(diào)速系統(tǒng)[J].煤礦機(jī)械，2009（5）：125-127.