基于PLC的采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉曉鵬

（山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽泉045000）

引言

煤礦綜采工作面采煤機(jī)是“三機(jī)”核心設(shè)備之一，采煤機(jī)的運(yùn)行效率直接關(guān)系到綜采工作面的生產(chǎn)效率。因此，研究采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)成為亟需解決的問題，文獻(xiàn)[1-2]研究并分析了節(jié)能導(dǎo)向的煤礦機(jī)電設(shè)備協(xié)同控制技術(shù)，通過分析煤礦智能控制關(guān)鍵技術(shù)，如傳感器感知技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、實(shí)時(shí)定位技術(shù)及數(shù)據(jù)處理技術(shù)，結(jié)合煤礦綜采工作面機(jī)電設(shè)備實(shí)際生產(chǎn)特點(diǎn)和耗能數(shù)據(jù)，提出基于節(jié)能導(dǎo)向的綜采機(jī)電設(shè)備協(xié)同任務(wù)調(diào)度算法，并基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)其節(jié)能效果進(jìn)行云數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明，所提出的方案切實(shí)可行。文獻(xiàn)[3]研究了采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)協(xié)同運(yùn)行關(guān)系，建立協(xié)同位、姿監(jiān)測方法，重點(diǎn)分析了基于采煤機(jī)運(yùn)行軌跡的刮板輸送機(jī)豎直面形態(tài)監(jiān)測及水平面形態(tài)監(jiān)測方法，同時(shí)完成復(fù)雜工況下采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)協(xié)同監(jiān)測試驗(yàn)，所設(shè)計(jì)方法預(yù)測誤差率低、響應(yīng)速度快、預(yù)測時(shí)間短，可滿足實(shí)際工況應(yīng)用需要。文獻(xiàn)[4]為實(shí)現(xiàn)井下綜采工作面無人化、少人化目的，研究井下“三機(jī)”設(shè)備的系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律，利用慣性導(dǎo)航理論和無線傳感網(wǎng)絡(luò)理論，構(gòu)建INS/UWB協(xié)同定位模型，實(shí)現(xiàn)“三機(jī)”設(shè)備的協(xié)同調(diào)度優(yōu)化及沖突消解，并完成Matlab仿真。文獻(xiàn)[5]為解決綜采工作面設(shè)備自動(dòng)化程度較低、協(xié)同控制性能較差的問題，提出綜采工作面設(shè)備協(xié)同推進(jìn)控制方法，并以Ethernet/IP通信協(xié)議作為數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，經(jīng)工業(yè)試驗(yàn)，驗(yàn)證該方法能夠保證綜采工作面設(shè)備的有序工作、協(xié)同推進(jìn)，同時(shí)減少井下工作面人員的數(shù)量。本文以綜采工作面采煤機(jī)為研究對(duì)象，建立以PLC主從控制器、主從變頻器及CAN總線通信為核心的采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)。

1 采煤機(jī)概述

1.1 采煤機(jī)結(jié)構(gòu)

按照驅(qū)動(dòng)模式，采煤機(jī)分為液壓型驅(qū)動(dòng)采煤機(jī)和電驅(qū)型采煤機(jī)兩種，目前煤礦井下綜采工作面較常用的為電驅(qū)型采煤機(jī)。電驅(qū)型采煤機(jī)由行走子系統(tǒng)、調(diào)高子系統(tǒng)、截割子系統(tǒng)、牽引子系統(tǒng)及其他輔助機(jī)構(gòu)構(gòu)成。行走子系統(tǒng)控制采煤機(jī)在水平方向沿刮板輸送機(jī)運(yùn)行，由行走箱體、驅(qū)動(dòng)輪及導(dǎo)向滑靴等組成，共同協(xié)調(diào)完成采煤機(jī)的行走功能；調(diào)高子系統(tǒng)控制采煤機(jī)在煤壁垂直方向調(diào)節(jié)前/后滾筒的高度，對(duì)煤壁進(jìn)行截割，由電氣控制單元、液壓控制單元、電磁閥、滾筒等組成，共同協(xié)調(diào)完成采煤機(jī)的調(diào)高功能；截割子系統(tǒng)控制采煤機(jī)對(duì)煤壁的截割，由左右截割電機(jī)、左右截割滾筒、左右搖臂及截割齒等組成，截割電機(jī)通過減速器將負(fù)載轉(zhuǎn)矩傳送至截割滾筒，帶動(dòng)截割齒作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而將煤塊采出。為保障截割電機(jī)連續(xù)運(yùn)行，在截割子系統(tǒng)中還安裝水冷系統(tǒng)，對(duì)截割電機(jī)進(jìn)行降溫處理[6-7]。同時(shí)，該截割系統(tǒng)還可對(duì)截割頭進(jìn)行噴水操作，以降低煤塵污染率。牽引子系統(tǒng)完成對(duì)采煤機(jī)水平方向沿刮板輸送機(jī)的水平運(yùn)動(dòng)，為行走子系統(tǒng)提供電驅(qū)動(dòng)力，由牽引電機(jī)、減速器、變頻器組成。牽引子系統(tǒng)的電氣控制器控制變頻器按照轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速模式驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)運(yùn)行，并經(jīng)減速裝置后將轉(zhuǎn)矩傳送至齒軌輪，驅(qū)動(dòng)采煤機(jī)前進(jìn)/后退。

1.2 采煤機(jī)功能

采煤機(jī)的功能主要有以下三個(gè)：一為以刮板輸送機(jī)為運(yùn)行軌道，完成往復(fù)運(yùn)動(dòng)；二為沿綜采工作面豎直方向進(jìn)行滾筒的調(diào)高；三為截割系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)截割齒進(jìn)行螺旋運(yùn)動(dòng)。

1.3 采煤機(jī)模型

為實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)與液壓支架、刮板輸送機(jī)的協(xié)同控制，需利用傳感器技術(shù)對(duì)采煤機(jī)各系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、故障信息及參數(shù)設(shè)置等數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取并實(shí)時(shí)監(jiān)測，為判斷采煤機(jī)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)、下一時(shí)刻運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行趨勢提供依據(jù)。為保證牽引電動(dòng)機(jī)、截割電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行，需安裝電流、溫度傳感器，從而對(duì)其電動(dòng)機(jī)的電流和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。搖臂傾角傳感器用于測量采煤機(jī)前后滾筒搖臂的傾角，使其能夠更好地調(diào)整截割滾筒的位置。為能夠準(zhǔn)確定位采煤機(jī)的位置，安裝的紅外傳感器和位移傳感器監(jiān)測采煤機(jī)的相對(duì)位置與決定位置，經(jīng)協(xié)同控制器綜合判斷后，準(zhǔn)確定位采煤機(jī)的實(shí)時(shí)位置。另外，采煤機(jī)機(jī)身還安裝有速度傳感器，用于監(jiān)測采煤機(jī)的牽引速度；安裝機(jī)身傾角傳感器用于測量采煤機(jī)機(jī)身的偏移。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，控制核心為PLC 主、從控制器，用于處理采煤機(jī)傳感器數(shù)據(jù)、變頻調(diào)速數(shù)據(jù)及上位機(jī)、聲光報(bào)警、鍵盤輸入信號(hào)等。電驅(qū)型采煤機(jī)機(jī)身安裝左右牽引電機(jī)、破碎電機(jī)及截割電機(jī)，為實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)智能控制，需實(shí)時(shí)采集電機(jī)的電流、軸溫度、油溫、油位等信息，PLC 主控制器周期性地采集電流互感器、溫度傳感器、油溫傳感器、油位傳感器及瓦斯?jié)舛葌鞲衅鲾?shù)據(jù)。PLC 主控制器還需處理采煤機(jī)的變頻調(diào)速單元，由主、從變頻器組成，分別控制采煤機(jī)的左右牽引電機(jī)，實(shí)現(xiàn)“一對(duì)一”變頻驅(qū)動(dòng)[8]。PLC 從控制器需處理安裝在采煤機(jī)機(jī)身的液晶顯示屏、聲光報(bào)警裝置及鍵盤輸入模塊，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)置參數(shù)、故障報(bào)警信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控。鍵盤輸入模塊可實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)手動(dòng)控制和應(yīng)急控制。采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)還配置智能遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，可實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制。采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)內(nèi)、外部通信都采用CAN 總線通信模式，以達(dá)到靈活、實(shí)時(shí)、高質(zhì)量的通信目的。

圖1 采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分為硬件、軟件兩部分，其中硬件部分由PLC 主從控制器、變頻器、各傳感器、CAN 總線通信隔離柵、模擬量隔離柵、DC24V電源模塊等組成。按照各器件的外接接線原理繪制電氣原理圖，并按照該圖進(jìn)行實(shí)際接線。硬件部分設(shè)計(jì)時(shí)需注意的問題如下：

1）電源接線時(shí)，需注意DC、AC 及電壓等級(jí)。

2）傳感器元件接線時(shí)需注意輸出信號(hào)是電流信號(hào)還是電壓信號(hào)及信號(hào)輸出范圍。

3）CAN 總線通信隔離柵接線時(shí)需考慮終端電阻[9]。

4）PLC 主控制器與主從變頻器接線時(shí)，需采用專用CAN 總線通信雙絞屏蔽電纜，保證CAN 總線通信質(zhì)量，降低變頻器電磁干擾。

采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行軟件模塊劃分，即系統(tǒng)初始化模塊、數(shù)字量輸入信號(hào)延時(shí)處理模塊、模擬量處理模塊、CAN總線通信處理模塊、邏輯處理模塊、變頻調(diào)速模塊、電控系統(tǒng)自動(dòng)控制與監(jiān)測模塊、故障報(bào)警處理模塊等。圖2 所示為采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)邏輯處理模塊軟件流程。采煤機(jī)智能控制模式分為現(xiàn)場控制、遠(yuǎn)程控制，每一種控制模式又分為自動(dòng)控制、手動(dòng)控制兩部分。手動(dòng)控制時(shí)，可通過按鈕、鍵盤實(shí)現(xiàn)油泵控制、冷卻噴霧控制、截煤破碎及牽引[10]。自動(dòng)控制時(shí)，可調(diào)用電控系統(tǒng)自動(dòng)控制與監(jiān)測模塊并判斷主從控制器通信正常時(shí)，開始采煤機(jī)牽引、煤壁截割、油泵及冷卻系統(tǒng)控制。

圖2 采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)軟件邏輯處理模塊流程

3 應(yīng)用分析

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)的實(shí)用性和正確性，在某煤礦綜采工作面進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，試驗(yàn)周期為6 個(gè)月。試驗(yàn)所用的采煤機(jī)型號(hào)為MG110/265-BDW 矮型電驅(qū)采煤機(jī)，該采煤機(jī)的突出特點(diǎn)為機(jī)身矮、結(jié)構(gòu)緊湊、剛性好、工作效率高，其主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 MG110/265-BDW 矮型電驅(qū)型采煤機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

工業(yè)試驗(yàn)過程中，對(duì)該采煤機(jī)的運(yùn)行時(shí)間、左右牽引電機(jī)電流、破碎電機(jī)電流、截割電機(jī)電流等關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析后，發(fā)現(xiàn)采用該智能控制系統(tǒng)后，采煤機(jī)的運(yùn)行效率提高約70%，故障率降低51%，可實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)高效、智能、連續(xù)采煤。

4 結(jié)語

綜采工作面采煤機(jī)的智能化、信息化是提升綜采工作面智能化水平的關(guān)鍵一環(huán)，與液壓支架、刮板輸送機(jī)存在復(fù)雜的互鎖、聯(lián)動(dòng)關(guān)系。本文研究了基于PLC 主、從控制器的采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)并取得了較好的實(shí)際應(yīng)用效果。在后續(xù)的研究中，需重點(diǎn)考慮采煤機(jī)與液壓支架、采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)的協(xié)同控制關(guān)系，進(jìn)一步提升煤礦綜采工作面的智能化、信息化、少人化水平。