采煤機(jī)滾筒電液調(diào)高監(jiān)控系統(tǒng)的研究

張 晨

（山西西山煤電股份有限公司西銘礦，山西 太原 030052）

引言

采煤機(jī)是煤礦井下綜采工作的重型采煤設(shè)備，其采煤效率很大程度上取決于滾筒調(diào)高技術(shù)的自動(dòng)化程度。過去很長一段時(shí)間采煤機(jī)滾筒過的調(diào)高方式均為手動(dòng)調(diào)高，而在煤層薄厚變化顯著、頂板起伏程度較大的條件下，手動(dòng)調(diào)高穩(wěn)定程度差，滾筒高度調(diào)節(jié)不及時(shí)將導(dǎo)致滾筒切割底板，切割電機(jī)負(fù)載突增將導(dǎo)致電機(jī)過流燒毀，切割時(shí)產(chǎn)生的火花還會(huì)帶來瓦斯爆炸隱患。為了提高采煤效率和工作面的安全性，電液比例技術(shù)被廣泛應(yīng)用在采煤機(jī)滾筒調(diào)高控制系統(tǒng)中，通過PLC控制電液比例方向閥的節(jié)流面積，改變液壓油壓力，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)滾筒高度的精確調(diào)控，同時(shí)應(yīng)用組態(tài)技術(shù)對(duì)采煤機(jī)狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和顯示，方便操作人員查看采煤機(jī)狀態(tài)以及根據(jù)實(shí)際情況對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行修正，為故障診斷技術(shù)提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 電液調(diào)高系統(tǒng)工作原理

電液調(diào)高系統(tǒng)原理如圖1所示，在電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下，液壓油從油箱內(nèi)經(jīng)過濾器進(jìn)入調(diào)高泵，位移傳感器檢測(cè)此時(shí)調(diào)高液壓缸活塞位置，經(jīng)過位移增益K處理后與給定滾筒高度比較得到誤差e，經(jīng)PID控制器調(diào)節(jié)，輸出控制信號(hào)給電液比例閥，電液比例閥在控制信號(hào)的作用下改變閥口開度，液壓油經(jīng)過電液比例閥的流量改變，經(jīng)液壓鎖進(jìn)入調(diào)壓油缸，推動(dòng)活塞改變滾筒高度，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)。圖1中溢流閥的作用是控制調(diào)高泵的工作壓力，安全閥的作用是保護(hù)調(diào)高液壓缸。

2 電液調(diào)高監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能

2.1 結(jié)構(gòu)

圖1 采煤機(jī)滾筒電液調(diào)高系統(tǒng)原理圖

采煤機(jī)調(diào)高監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為工控監(jiān)控系統(tǒng)普遍采用的三層結(jié)構(gòu)，所有設(shè)備依靠各層或?qū)娱g的通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。結(jié)合采煤機(jī)特點(diǎn)和礦井運(yùn)行環(huán)境，本文研究的基于PLC技術(shù)和組態(tài)技術(shù)的電液調(diào)高監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。設(shè)備層所屬設(shè)備為監(jiān)控系統(tǒng)的控制對(duì)象和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，包括電機(jī)、調(diào)高泵、電液比例閥、各類傳感器等；控制層所屬設(shè)備為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和控制的下位機(jī)系統(tǒng)，包括PLC、A/D轉(zhuǎn)換模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊和開關(guān)量模塊等；監(jiān)控層所屬設(shè)備為上位機(jī)系統(tǒng)，在本系統(tǒng)中為搭載世紀(jì)星組態(tài)軟件和PLC編程軟件的工控機(jī)，在該工控機(jī)上可以修改滾筒調(diào)高系統(tǒng)的參數(shù)、查詢歷史數(shù)據(jù)、查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、處理故障等。

圖2 電液調(diào)高監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 功能

1）數(shù)據(jù)采集和處理：通過溫度傳感器采集電機(jī)繞組溫度，通過壓力傳感器采集調(diào)高泵壓力，通過位移傳感器采集液壓缸活塞位置，并將采集的數(shù)據(jù)按照一定格式以文件或報(bào)表的形式存儲(chǔ)、處理和分析。

2）遠(yuǎn)程控制：通過工控機(jī)可以查看并調(diào)節(jié)滾筒調(diào)高部參數(shù)、方向閥方向、變頻器輸出電壓、溢流閥載荷等。

3）動(dòng)畫顯示：在工控機(jī)顯示屏上以動(dòng)畫的方式實(shí)時(shí)顯示滾筒升降位置、液壓油流向、電液比例閥開度等，并以曲線方式展示一定時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)趨勢(shì)、故障時(shí)間等。

4）查詢和打印：在工控機(jī)上查詢歷史數(shù)據(jù)并打印報(bào)表。

3 電液調(diào)高監(jiān)控系統(tǒng)的PLC選型與編程

PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程包括PLC主機(jī)單元及其擴(kuò)展模塊選型、外部電路設(shè)計(jì)和模塊通訊連接硬件設(shè)計(jì)、基于梯形圖編程的軟件設(shè)計(jì)、軟硬件聯(lián)機(jī)調(diào)試等。在采煤機(jī)滾筒電液調(diào)高系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)中，PLC承擔(dān)著傳感器數(shù)據(jù)的收發(fā)、對(duì)滾筒高度進(jìn)行PID調(diào)節(jié)、與工控機(jī)進(jìn)行通信等功能，是下位機(jī)系統(tǒng)的核心部件。PLC選型關(guān)系到軟硬件設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)，是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。結(jié)合采煤機(jī)作業(yè)工藝和監(jiān)控系統(tǒng)功能，開關(guān)量及I/O點(diǎn)數(shù)包括液壓缸位移、液壓缸壓力、主電機(jī)軸溫度、測(cè)試缸進(jìn)出口壓力和加載缸進(jìn)出口壓力7個(gè)模擬量輸出通道，變頻器控制電壓、先導(dǎo)閥控制電壓和溢流閥控制電壓3個(gè)模擬量輸入通道，接通斷開電源、正反轉(zhuǎn)停止運(yùn)行、變頻器故障、故障復(fù)位、電磁閥斷電、加減號(hào)、緊急制動(dòng)等11個(gè)開關(guān)量輸入點(diǎn)位，液壓缸左右移動(dòng)、變頻器故障報(bào)警、壓力超限報(bào)警、制動(dòng)輸出、故障復(fù)位、3段速等9個(gè)開關(guān)量輸出點(diǎn)位。結(jié)合存儲(chǔ)量、開關(guān)量和I/O點(diǎn)位等要求，選擇三菱公司PLC主機(jī)單元FX1N-60MR，這款PLC有輸入點(diǎn)位36個(gè)、輸出點(diǎn)位24個(gè)，具有良好的功能擴(kuò)展性，模擬量輸入輸出擴(kuò)展模塊選擇FX2N-8AD、FX2N-8AD，與主機(jī)單元共同組成PLC控制系統(tǒng)。

采用Deleloper軟件編輯PLC梯形圖程序，主要程序有數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)控制程序和PID程序。數(shù)據(jù)采集程序采集的數(shù)據(jù)包括液壓缸位移和加載力、測(cè)試缸進(jìn)出口壓力、加載缸進(jìn)出口壓力、電機(jī)主軸溫度等。數(shù)據(jù)控制程序控制變頻器輸出頻率、先導(dǎo)閥方向和溢流閥開度。PID程序是用來控制采煤機(jī)滾筒高度的，PID控制器輸出的控制信號(hào)能夠調(diào)節(jié)電液比例閥的開度，在調(diào)高過程中，調(diào)高缸內(nèi)的活塞速度與電液比例閥開度大小有關(guān)，在剛開始調(diào)高動(dòng)作時(shí)活塞速度線性上升，隨著PID控制器輸出控制信號(hào)的減弱電液比例閥開度也減小，活塞的運(yùn)動(dòng)速度逐漸降低，直到滾筒高度與設(shè)定高度相等，此時(shí)PID控制器輸出控制信號(hào)接近于零，電液比例閥關(guān)閉，活塞停止運(yùn)動(dòng)。

4 電液調(diào)高監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)技術(shù)的應(yīng)用

工控機(jī)是上位機(jī)系統(tǒng)的核心部件，其上搭載的組態(tài)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)顯示查詢和打印、預(yù)報(bào)警等功能。組態(tài)軟件是一種被廣泛應(yīng)用于電力、給水、石油和化工等行業(yè)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控的專業(yè)軟件，根據(jù)采煤機(jī)滾筒調(diào)高系統(tǒng)的控制要求在組態(tài)軟件中進(jìn)行二次開發(fā)即可，具有應(yīng)用靈活、操作簡單的特點(diǎn)。自20世紀(jì)80年代末起步，國內(nèi)外發(fā)展出數(shù)十種組態(tài)軟件，組態(tài)軟件在煤炭行業(yè)的應(yīng)用推動(dòng)了煤礦開采的自動(dòng)化發(fā)展。組態(tài)軟件的開發(fā)流程包括I/O參數(shù)收集、定義和地址標(biāo)識(shí)、監(jiān)控畫面草圖的繪制、數(shù)據(jù)庫的建立和數(shù)據(jù)鏈接、操作畫面和動(dòng)畫屬性的完善、調(diào)試和外聯(lián)。將世紀(jì)星組態(tài)軟件繪圖區(qū)和工作區(qū)的命令與采煤機(jī)滾筒電液調(diào)高系統(tǒng)的被控設(shè)備建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，操作人員即可對(duì)滾筒高度、電液比例閥開度、管路液壓等進(jìn)行調(diào)控操作和監(jiān)視。

采煤機(jī)滾筒調(diào)高系統(tǒng)監(jiān)控軟件包括顯示子系統(tǒng)、采集子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)和管理子系統(tǒng)。顯示子系統(tǒng)功能包括采煤機(jī)現(xiàn)場布置、液壓管路連接等現(xiàn)場模擬畫面，變頻器啟停、電液比例方向閥的位置等狀態(tài)參數(shù)畫面，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)趨勢(shì)和歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)畫面，故障報(bào)警和記錄畫面；采集子系統(tǒng)功能包括溫度采集、位移采集和壓力采集；控制子系統(tǒng)功能包括變頻器控制、先導(dǎo)閥控制和溢流閥控制，工控機(jī)通過PLC控制變頻器輸出電壓的幅值和頻率、電液比例方向閥和比例溢流閥的開度；管理子系統(tǒng)的功能包括用戶登錄、退出和注銷，防止數(shù)據(jù)被隨意篡改，為監(jiān)控系統(tǒng)提供安全保障。

5 結(jié)論

用位移傳感器檢測(cè)調(diào)高液壓缸內(nèi)活塞的位置，從而確定采煤機(jī)滾筒高度，在PLC程序內(nèi)對(duì)給定滾筒高度和實(shí)際高度進(jìn)行PID調(diào)節(jié)并發(fā)出控制指令，用電液比例閥代替電磁閥，控制指令控制電液比例閥開度，從而控制液壓，實(shí)現(xiàn)滾筒高度閉環(huán)調(diào)節(jié)?；赑LC和組態(tài)技術(shù)的滾筒電液調(diào)高監(jiān)控系統(tǒng)能夠保護(hù)截割頭，提高采煤機(jī)的工作效率。