基于PLC的采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高控制系統(tǒng)分析

摘 要：由于PLC技術(shù)的控制能力優(yōu)良，能夠顯著適應(yīng)采煤機(jī)的控制要，提供安全穩(wěn)定的技術(shù)控制，確保對(duì)采煤機(jī)控制的精準(zhǔn)化?；诖?，本文設(shè)計(jì)一套完整的采煤機(jī)的自動(dòng)調(diào)高控制系統(tǒng)，并對(duì)PLC技術(shù)在采煤機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行重點(diǎn)分析，通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)控制效果加以印證。具體內(nèi)容包括采煤機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)高設(shè)計(jì)、PLC控制系統(tǒng)及監(jiān)控設(shè)計(jì)等。

關(guān)鍵詞：PLC采煤機(jī)；調(diào)高；控制；系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TD632.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）24-0244-02

引 言

作為我國(guó)重要資源之一的煤炭，在開采過程中離不開對(duì)采煤機(jī)的連續(xù)使用。采煤機(jī)的運(yùn)行效率與煤礦開采的效息息相關(guān)。在連續(xù)使用采煤機(jī)的過程中，如何通過自動(dòng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)提高采煤機(jī)的工作效率已成為值得關(guān)注的問題。為確保采煤機(jī)的安全有效運(yùn)行，增強(qiáng)采煤機(jī)的工作效率，最大化地使采煤機(jī)的運(yùn)行環(huán)境得到優(yōu)化從而降低開采難度，針對(duì)這一問題，學(xué)者和科研人員進(jìn)行了廣泛研究，提出了基于PID開關(guān)閥控液壓缸的采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高控制系統(tǒng)、基于記憶切割的采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高預(yù)見控制系統(tǒng)等方式，這些方法實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜且具有相對(duì)滯后性。在前人研究的基礎(chǔ)上，本文研究了基于PLC的采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高控制系統(tǒng)，該方法易于操作且具有相當(dāng)穩(wěn)定性，應(yīng)經(jīng)在實(shí)踐中得到了驗(yàn)證。

1 采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采煤機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)過程中，一般需要借助于滾簡(jiǎn)切割煤壁對(duì)煤礦井下的煤炭實(shí)施開采。如此一來，要想實(shí)現(xiàn)采煤的高產(chǎn)、高效，就要實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)滾簡(jiǎn)自動(dòng)調(diào)高的有效控制，以免由于手動(dòng)操作的精準(zhǔn)性問題從而引發(fā)筒損壞以和相關(guān)的資源浪費(fèi)等問題。對(duì)于采煤機(jī)滾簡(jiǎn)自動(dòng)調(diào)高控制實(shí)際上就是控制相應(yīng)的液壓伺服系統(tǒng)，使之適應(yīng)采煤機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)與液壓調(diào)高系統(tǒng)。要求相互嚙合的齒輪可以通過接觸和彎曲強(qiáng)度校核計(jì)算，合理選用軸及軸承且軸及軸承通過壽命測(cè)試、合理選擇內(nèi)花鍵和外花鍵并通過強(qiáng)度測(cè)試、具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性、密封性、高潤(rùn)滑等特性，液壓部分為控制采煤機(jī)滾筒的自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)。

該系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究是在國(guó)家某科研院所實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的，通過液壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)系統(tǒng)開展軟硬件聯(lián)合模擬實(shí)驗(yàn)。通常情況下該實(shí)驗(yàn)的加載模式可以為手動(dòng)模式，也可以為自動(dòng)模式，通過手動(dòng)模式和自動(dòng)模式的聯(lián)合使用，得出液壓缸特性參數(shù)，而本文主要采取自動(dòng)控制模式進(jìn)行試驗(yàn)，指標(biāo)的選擇符合研究目的的要求。該系統(tǒng)的基本原理為，在往復(fù)運(yùn)動(dòng)的液壓系統(tǒng)回路控制中，由系統(tǒng)配電柜向變頻器及相應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行供電，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)依靠變頻器帶動(dòng)，主泵轉(zhuǎn)動(dòng)則依靠電機(jī)帶動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)的整體性供油。利用對(duì)比例先導(dǎo)減壓閥的控制，并在電壓調(diào)整的影響下，實(shí)現(xiàn)對(duì)液控?fù)Q向閥的控制，形成對(duì)其的換向動(dòng)作，當(dāng)換向閥在左位工作時(shí)液壓油可經(jīng)由液控?fù)Q向閥，并進(jìn)入到測(cè)試油缸的無桿腔。此過程中，在液壓油的影響下，測(cè)試油會(huì)向左偏移。在試驗(yàn)臺(tái)的雙向加載回路中，事先為液壓壓力控制閥（溢流閥）設(shè)計(jì)一個(gè)壓力值范圍，對(duì)由電磁鐵直接產(chǎn)生推力直動(dòng)式比例溢流閥的輸入信號(hào)予以控制，控制油壓在油缸內(nèi)活塞兩端的壓力不平衡從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸的模擬加載。因?yàn)榧虞d油缸右段位于承受系統(tǒng)高壓的高壓腔，故通過適當(dāng)?shù)目刂拼胧┘纯墒挂簤河徒?jīng)單向閥組再次返回油箱內(nèi)。在液壓系統(tǒng)補(bǔ)油回路內(nèi)，通過適當(dāng)?shù)目刂拼胧┦挂簤河徒?jīng)減壓閥，通過單向閥組進(jìn)入加載油缸左端，也就是加載油缸低壓腔位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)油量的補(bǔ)足。液控方向閥在右側(cè)時(shí)，系統(tǒng)的正常運(yùn)行回路和補(bǔ)油回路與上文基本一致，僅是方向相反，形成一閉合回路。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中設(shè)有位移傳感器、壓力傳感器等設(shè)備，通過各個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟，會(huì)采集到一些系統(tǒng)運(yùn)行的各種時(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，且把數(shù)據(jù)上載至上位機(jī)進(jìn)行顯示并將數(shù)據(jù)采取不同的存儲(chǔ)方式分別存儲(chǔ)，以利于后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總分析。

合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程以及具體的實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，通過實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)的自動(dòng)控制，本系統(tǒng)的基本功能主要包括：①完成仿真系統(tǒng)模擬，實(shí)戰(zhàn)性較強(qiáng)。本實(shí)驗(yàn)平可以實(shí)現(xiàn)比例溢流閥流量加載，按照例溢流閥輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)溢流壓力的整定，能快速控制并反應(yīng)實(shí)時(shí)的油壓值，從實(shí)現(xiàn)對(duì)加載力值的有效、迅速調(diào)節(jié)。②實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制移位進(jìn)給。對(duì)先導(dǎo)式可調(diào)式減壓閥予以調(diào)節(jié)，并設(shè)定減壓閥的壓力梯度來保證順利操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)液控方向閥的閉合操作。③實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有相對(duì)完備、有效的信息收集功能。結(jié)合對(duì)位移傳感器、壓力傳感器等設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的檢測(cè)、加載油缸及測(cè)試油缸運(yùn)動(dòng)方向和壓力變化狀況等相應(yīng)信息上傳至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯總、分析、存儲(chǔ)等。④實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用變頻裝置。當(dāng)需要對(duì)調(diào)節(jié)液壓缸位置進(jìn)行調(diào)整時(shí)，可采取調(diào)整變頻器出頻率值的方式來對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度予以調(diào)節(jié)，從而使系統(tǒng)流量得到控制，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)位置的功能。

2 PLC控制系統(tǒng)及監(jiān)控設(shè)計(jì)

2.1 PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般是通過對(duì)采煤機(jī)電氣控制裝置的選型設(shè)計(jì)、及安裝調(diào)試以及對(duì)PLC控制流程進(jìn)行必要、科學(xué)設(shè)計(jì)，達(dá)到采煤機(jī)的自動(dòng)調(diào)高目的。針對(duì)電氣控制裝置的選型設(shè)計(jì)一般是指對(duì)變頻器及各類傳感器的選型。

選用ABB公司ACS800系列的ACS800-01-0070-3+P901型變頻器，輸入額定電壓380V，頻率調(diào)節(jié)在0～50Hz之間，配套功率電機(jī)額定功率為55kW，它的控制率最高為97%位移傳感器選擇磁致仲縮線性位移傳感器，其型號(hào)為KYDM-LP1A4210-GB1200M1HB-WO，量程為0～1200mm，測(cè)量精度高達(dá)±0.01；壓力傳感器選擇目前常見的且?guī)в袎毫Ρ肀P的壓力傳感器，其型號(hào)CYG1103型，壓力量程為0～40MPa，測(cè)量精度為±0.25%，符合要求。

PLC技術(shù)在采煤機(jī)控制系統(tǒng)中的功能主要包括：①檢測(cè)電源、發(fā)布啟動(dòng)命令，各類傳感器收集到實(shí)時(shí)信號(hào)后，促進(jìn)采煤機(jī)的指定動(dòng)作。②利用變頻器實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，完成采煤機(jī)的自動(dòng)調(diào)速過程。在這個(gè)過程中，PLC可以對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行主動(dòng)檢測(cè)，并依據(jù)電流狀態(tài)分析出電動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行速度。③自動(dòng)、有效檢測(cè)電機(jī)的運(yùn)行工況，尤其是絕緣安全狀態(tài)。如果電機(jī)有絕緣風(fēng)險(xiǎn)，就會(huì)發(fā)出警報(bào)。PLC通過對(duì)電流信號(hào)（4～20m）或電壓信號(hào)（0-5VDC或者0-10VDC）的A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)數(shù)值在上位機(jī)的存儲(chǔ)與顯示。由此可見，對(duì)變頻器的頻率的控制、對(duì)比例先導(dǎo)減壓閥的控制，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與顯示等都需要PLC的參與，可以認(rèn)為PLC在控制系統(tǒng)中起到中樞神經(jīng)的作用。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)應(yīng)遵循功能需求，以采煤機(jī)的自動(dòng)調(diào)高為軟件控制的目的。設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)應(yīng)事先采煤機(jī)控制系統(tǒng)在啟動(dòng)變頻器后可以依據(jù)指令進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的控制操作過程，從而精準(zhǔn)調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)速度加快、速度放慢等各項(xiàng)操作。通過PLC技術(shù)的軟件還可實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)內(nèi)部程序的控制，自動(dòng)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，如發(fā)現(xiàn)采煤機(jī)截割電機(jī)電流超限后，機(jī)會(huì)發(fā)出警報(bào)，從而降低電機(jī)速度，避免過載風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)調(diào)高監(jiān)控系統(tǒng)可分為設(shè)備層、控制層和信息層三層。監(jiān)控層主要是指組態(tài)畫面，控制層包括PLC、開關(guān)量模塊D/A、A/D等，設(shè)備層包括電機(jī)、溫度傳感器、壓力傳感器和位移傳感器、液壓缸等。其各要次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)采煤機(jī)的自動(dòng)調(diào)高控制系統(tǒng)，借助實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了模擬操作，對(duì)PLC技術(shù)的控制方式和實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，試驗(yàn)得到了預(yù)期效果，對(duì)相關(guān)同類工程可以起到借鑒作用，可以為進(jìn)一步提升采煤機(jī)控制的效率和準(zhǔn)確性提供理論參考和實(shí)踐指導(dǎo)。

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收稿日期：2018-7-20

作者簡(jiǎn)介：趙 勇（1982-），男，陜西宜君人，工程師，碩士，主要從事電氣技術(shù)工作。

姚 穩(wěn)（1967-），男，山西稷山人，工程師，大專，主要從事電氣技術(shù)工作。