采煤機自動化控制系統(tǒng)的設計及實驗驗證

申玉川

（山西陽泉煤業(yè)集團七元煤業(yè)有限責任公司機電運輸部， 山西 壽陽 045400）

引言

采煤機為綜采工作面的主要生產設備，其承擔著煤層的截割和落煤任務。目前，我國綜采機械設備和采煤技術不斷發(fā)展進步，為實現(xiàn)綜采工作面的智能化生產奠定了扎實的基礎?；诰C采工作面的智能化生產可有效代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工生產，在提升采煤效率的同時，還極大地提升了生產的安全性。其中，實現(xiàn)采煤機的智能化生產，旨在確保采煤機能夠根據煤層變化以及其他不穩(wěn)定性因素進行自動化、自主控制[1]。本文重點對采煤機的自動化、智能化控制系統(tǒng)進行設計，并對其效果進行驗證。

1 采煤機自動化控制系統(tǒng)的總體設計

目前，工作面的采煤機以電牽引采煤機為主，而且主要為雙滾筒采煤機，其結構組成主要包括有左右截割滾筒、左右搖臂、牽引電機、截割電機、電氣控制箱以及破碎機等。采煤機自動化控制系統(tǒng)的主要功能為整機根據煤層地質條件對截割電機、牽引電機進行控制，從而達到對截割深度、截割高度、牽引速度和牽引方向等基本功能的控制。此外，基于采煤機自動化控制系統(tǒng)還能夠實現(xiàn)對現(xiàn)場所采集到的數(shù)據與上位機的實時通信、顯示和存儲等功能[2]。具體可將采煤機自動化控制功能總結如下:

1）采煤機自動化控制系統(tǒng)能夠對所采集到的數(shù)據進行高速處理，并且為方便今后豐富擴展功能，該控制系統(tǒng)具有豐富的接口；

2）實現(xiàn)對采煤機的基礎控制功能，即對采煤機截割部、牽引部以及采煤機實時工作狀態(tài)的監(jiān)測、傳送、顯示和存儲等功能；

3）采煤機的自動化控制功能，基于對現(xiàn)場傳感器所采集數(shù)據分析的基礎上，同時結合所采用的采煤工藝實現(xiàn)對采煤機搖臂的自動調高，對采煤機牽引速度的自動控制等，同時，基于地面調度室實現(xiàn)對采煤密集的遠程控制。

為保證上述功能的實現(xiàn)，所設計的采煤機自動化控制系統(tǒng)的功能結構框圖如圖1 所示。

圖1 采煤機自動化控制系統(tǒng)硬件框圖

如圖1 所示，本文所設計的采煤機自動化控制系統(tǒng)由雙DSP 處理組成。其中，TMS320F2812 控制器主要是對結合采煤機位置、姿態(tài)及其相關電機運行等參數(shù)進行分析的同時上傳至順槽遠程監(jiān)控平臺對運行參數(shù)進行實時顯示、存儲；TMS320F2812 控制器與TMS320F28335 控制器之間實現(xiàn)數(shù)據交換，得出對應的采煤機控制指令。TMS320F2812 控制器主要完成數(shù)據采集、數(shù)據傳輸（包括對監(jiān)控平臺和TMS320F28335控制器）、根據TMS320F28335 控制器得出的控制指令對采煤機進行控制；TMS320F28335 控制器的主要功能為結合所設計的采煤工藝流程和采煤機的實時運行狀態(tài)對采煤機得出控制指令并將指令發(fā)送至TMS320F2812 控制器[3]。

2 采煤機自動化控制系統(tǒng)的具體設計

采煤機自動化控制系統(tǒng)包括硬件和軟件兩方面。對于硬件而言，一般自動化控制系統(tǒng)均包括有數(shù)據采集模塊、數(shù)據通信模塊以及數(shù)字量接口、模擬量接口模塊等，上述模塊與一般控制系統(tǒng)的模塊相近，本小節(jié)對硬件模塊的設計不做過多敘述。同時，很多學者均對采煤機自動調高和牽引部的自動調速進行研究；換句話說，采煤機在自動調高和自動調速方面功能的實現(xiàn)已經很成熟。因此，本節(jié)重點對采煤機自動化控制技術與采煤機工藝相結合的實現(xiàn)。

本文所研究采煤工藝為當前生產中應用較為普遍的綜合機械化走向長壁全部垮落法賭對應的采煤方法。在實際生產中，該采煤工藝的一個循環(huán)主要包括有采煤機斜切進刀工藝、采煤機割三角煤工藝、采煤機正常割煤工藝以及采煤機回到機頭斜切進刀工藝四個階段[4]。

所謂采煤機自動化控制系統(tǒng)與采煤工藝相結合具體指的是，控制系統(tǒng)對當前煤層條件和采煤機工作狀態(tài)進行判斷，對其是否能夠進入下一階段進行判斷，直至完成整個工作面的生產，其對應的自動控制流程如圖2 所示。

圖2 采煤機自動控制與采煤工藝的融合

如圖2 所示，通過對傳感器采集的數(shù)據進行解析并結合所讀取的狀態(tài)標志位確定是否具備條件開始斜切進刀截割工藝；當斜切進刀截割工藝結束后，開始三角煤截割工藝。當三角煤截割完成后，標志著采煤機進入自動截割狀態(tài)。

其中，在斜切進刀截割環(huán)節(jié)中，其功能實現(xiàn)的關鍵環(huán)節(jié)之一為根據采煤機的實時斜切參數(shù)和現(xiàn)場條件對采煤機搖臂高度進行計算并將其控制到指定高度；當采煤機搖臂達到指定高度后，根據煤層條件計算牽引速度，避免由于牽引速度不合理導致電機燒毀和截割不到位等問題。

3 采煤機自動化控制功能的驗證

本小節(jié)重點通過搭建實驗平臺對采煤機自動控制系統(tǒng)的自動控制功能進行測試，所搭建的實驗平臺如圖3 所示。

圖3 采煤機自動控制功能實驗平臺

實驗平臺下截割電流與牽引電機變頻器之間的關系如圖4 所示。

圖4 截割電機電流值與牽引電機變頻器頻率之間的關系曲線

由圖4 可知，當截割電機電流值超出其上限值時，對應牽引電機變頻器頻率減小，即采煤機的速度降低；當截割電機電流值超出其下限值時，對應牽引電機變頻器頻率增大，即采煤機的速度增加；當截割電機電流值在合理范圍之內時，對應牽引電機變頻器頻率不變，即采煤機以當前速度運行。

自動調高控制功能的驗證結果如圖5 所示。

如圖5 所示，基于本文所設計的自動控制系統(tǒng)，采煤機搖臂能夠根據煤層高度進行實時調整，從而能夠保證煤炭的采出率，避免煤炭資源浪費；而且，搖臂軌跡均略低于煤層高度，從而有效保護滾筒與巖層直接接觸。

圖5 采煤機自動調高控制功能驗證結果

4 結論

采煤機作為綜采工作面的主要生產設備，在煤礦生產中扮演著重要的角色。但是，當前采煤機還未從真正意義上實現(xiàn)智能化、自動化生產[5]。因此，本文設計了一款可應用于綜采工作面的采煤機自動化控制系統(tǒng)，具體總結如下：

1）本采煤機自動控制系統(tǒng)基于雙DSP 控制器實現(xiàn)，TMS320F2812 控制器主要完成數(shù)據采集、數(shù)據傳輸（包括對監(jiān)控平臺和TMS320F28335 控制器）、根據TMS320F28335 控制器得出的控制指令對采煤機進行控制；TMS320F28335 控制器的主要功能為結合所設計的采煤工藝流程和采煤機的實時運行狀態(tài)對采煤機得出控制指令并發(fā)生至TMS320F2812 控制器。

2）通過驗證，所設計的自動控制系統(tǒng)能夠根據截割電機的實時電流對采煤機牽引速度進行控制，從而實現(xiàn)牽引速度與截割阻力之間的高度匹配。

3）通過驗證，所設計的自動控制系統(tǒng)能夠根據煤層高度對搖臂進行實時調整，在產生最大產煤量的同時實現(xiàn)對滾筒的保護。