采煤機(jī)智能控制設(shè)計(jì)研究

王文中

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)馬道頭煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 大同 037000）

引言

隨著煤炭開采業(yè)的不斷發(fā)展，煤炭企業(yè)由依賴人工開采的勞動(dòng)密集型企業(yè)逐漸轉(zhuǎn)型為高智能、高自動(dòng)化的科技密集型企業(yè)已，煤炭井下少量工作人員甚至無工作人員的智能化開采逐漸成為企業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。煤炭開采的智能化不僅有效可以降低企業(yè)成本，還有效保障了企業(yè)的人身財(cái)產(chǎn)安全。采煤機(jī)一直是煤炭井下生產(chǎn)的重要開采設(shè)備，對(duì)采煤機(jī)的智能化改造是井下開采智能化的關(guān)鍵一環(huán)?，F(xiàn)階段，許多企業(yè)的采煤機(jī)自動(dòng)化、智能化水平普遍較低，針對(duì)這一現(xiàn)象，本文對(duì)采煤機(jī)的智能化控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，以期對(duì)煤炭企業(yè)智能化有所幫助，提高企業(yè)安全性，提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

1 采煤機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

采煤機(jī)也叫電牽引采煤機(jī)，是由截割系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、電氣部分以及其他輔助系統(tǒng)組成的，采煤機(jī)基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。其中，截割系統(tǒng)主要包括搖臂、截割電動(dòng)機(jī)以及滾筒等，主要作用為完成割煤以及落煤的工作；牽引系統(tǒng)主要由減速箱、牽引電機(jī)以及行走箱組成，主要作用為牽引采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)，保證采煤機(jī)運(yùn)行方向的準(zhǔn)確，同時(shí)還可對(duì)電機(jī)進(jìn)行過載保護(hù)；電氣部分是采煤機(jī)系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿碓?，可控制系統(tǒng)內(nèi)各電氣部件功率，提供過載保護(hù)，電氣部分主要由電動(dòng)機(jī)以及電控箱兩部分組成；輔助裝置主要包括托架、電纜移動(dòng)裝置、水管移動(dòng)裝置以及冷卻裝置等。輔助裝置的作用為配合系統(tǒng)完成工作，使系統(tǒng)運(yùn)行更加順暢[1-2]。

圖1 采煤機(jī)基本結(jié)構(gòu)示意圖

采煤機(jī)的工作是通過與液壓支架以及刮板輸送機(jī)相互配合完成的，采煤機(jī)的牽引系統(tǒng)可通過走輪使采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)嚙合，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。滾筒高度可通過調(diào)整油缸伸縮量實(shí)現(xiàn)，頂煤的截割主要通過前滾筒完成，底煤截割通過后滾筒完成，破落的煤炭主要通過螺旋葉片旋轉(zhuǎn)進(jìn)入刮板輸送機(jī)。刮板輸送機(jī)將煤炭運(yùn)送至下順槽并卸載至轉(zhuǎn)載機(jī)，煤炭經(jīng)破碎機(jī)處理后可由轉(zhuǎn)載機(jī)運(yùn)輸至帶式輸送機(jī)，最終完成煤炭輸送，采煤完成。

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

通過對(duì)采煤機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理分析可知，采煤機(jī)運(yùn)行過程中最主要的動(dòng)作為牽引調(diào)速和滾筒調(diào)高。其中，牽引調(diào)速是通過調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速完成的，滾筒調(diào)高是通過控制油缸伸縮量多小實(shí)現(xiàn)的。本文的采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)主要由三部分組成[3-4]，分別為機(jī)載監(jiān)控、順槽監(jiān)控以及地面監(jiān)控，采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如下頁圖2 所示。

圖2 采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

機(jī)載監(jiān)控系統(tǒng)主要由交換機(jī)、控制器以及各類傳感器組成。其中，控制器是機(jī)載監(jiān)控系統(tǒng)的核心部件，本文將機(jī)載監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了模塊設(shè)計(jì)，包括輸入輸出模塊、通訊模塊、數(shù)據(jù)處理、煤層分布邊界模塊以及故障處理模塊等。機(jī)載監(jiān)控系統(tǒng)中的可編程控制器本文選擇西門子公司的SIMATIC S7-300 型可編程控制器；由于采煤機(jī)工作環(huán)境較為惡劣，為保障整個(gè)系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行，本文在智能系統(tǒng)中加入了基于MESH 技術(shù)的本安型無線交換機(jī)。本安型無線交換機(jī)通訊穩(wěn)定可靠，同時(shí)若在通訊過程中某一節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，交換機(jī)可跳過該節(jié)點(diǎn)與下一節(jié)點(diǎn)通訊，實(shí)現(xiàn)了冗余原則，保證通訊通常；機(jī)載系統(tǒng)中需用到的傳感器包括傾角傳感器、電流互感器以及溫度傳感器[5]。

順槽監(jiān)控系統(tǒng)主要由監(jiān)控平臺(tái)和管理平臺(tái)組成。其中，監(jiān)控平臺(tái)包括WinCC 平臺(tái)、3DVR 平臺(tái)以及視頻監(jiān)視平臺(tái)，管理平臺(tái)為無線Mesh 管理平臺(tái)。WinCC平臺(tái)主要作用是讀取可編程控制器中數(shù)據(jù)，方便管理人員掌握設(shè)備狀態(tài)；3DVR 監(jiān)控平臺(tái)主要作用是讀取可編程控制器中數(shù)據(jù)后完成設(shè)備的現(xiàn)實(shí)操作，完成系統(tǒng)中虛擬模擬的工作步驟；視頻監(jiān)視平臺(tái)主要作用為將采煤機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行場(chǎng)景以視頻的方式傳輸至主控計(jì)算機(jī)，使設(shè)備監(jiān)控更加直觀；無線Mesh 管理平臺(tái)主要作用為顯示Mesh 交換網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，確保設(shè)備參數(shù)與信號(hào)準(zhǔn)確正常[6-8]。

地面監(jiān)控系統(tǒng)的主要作用為將傳輸至地面的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、對(duì)傳輸回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)以及發(fā)出整個(gè)系統(tǒng)的控制指令。

3 采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

本文智能控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件采用西門子公司的SIMATIC WinCC 軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，SIMATIC WinCC 軟件是一款基于Windows 系統(tǒng)的高性能應(yīng)用軟件系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)收集、組態(tài)、OPC 以及計(jì)算機(jī)語言腳本等基本功能，同時(shí)還有報(bào)表生產(chǎn)、記錄儲(chǔ)存數(shù)據(jù)、二次系統(tǒng)開發(fā)、管理用戶等額外功能，較為符合采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)需求。

智能控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件是通過接收S7-300 可編程控制器的各類傳感信息，利用WinCC 上位機(jī)對(duì)接收到的信息進(jìn)行信息處理與顯示，同時(shí)對(duì)管理人員輸入的操作信息進(jìn)行分析判斷，生產(chǎn)相關(guān)控制指令后傳輸至可編程控制，從而實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)智能控制的[9-10]。由于所用的SIMATIC WinCC 軟件與S7-300 可編程控制器沒有相匹配的驅(qū)動(dòng)控制程序，故需進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)。SIMATIC WinCC 軟件與S7-300 可編程控制器的連接通信本文采用以太網(wǎng)通訊技術(shù)，通過建立OPC 通信完成通信網(wǎng)絡(luò)的連接，OPC 通信網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖3 所示。

圖3 OPC 通信網(wǎng)絡(luò)示意圖

智能控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件界面主要由主界面和參數(shù)運(yùn)行界面組成。其中，主界面的內(nèi)容主要有設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)、監(jiān)控系統(tǒng)指令顯示以及主要參數(shù)顯現(xiàn)；參數(shù)運(yùn)行界面顯示的數(shù)據(jù)主要包括滾筒高度、牽引部件運(yùn)行速度、設(shè)備運(yùn)行曲線。智能控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件界面如圖4 所示。

圖4 智能控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件界面圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

將上述采煤機(jī)智能控制應(yīng)用于某煤礦，煤礦煤層最大厚度為5 m，最大傾角為19°，符合實(shí)驗(yàn)要求。從設(shè)備工況信息庫中提取出采煤機(jī)的歷史截割運(yùn)行信息，生成特征點(diǎn)后將目標(biāo)路徑發(fā)送至可編程控制器進(jìn)行試運(yùn)行，同時(shí)將設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)送會(huì)平臺(tái)，對(duì)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估。除上述目標(biāo)路徑實(shí)驗(yàn)外，本文還進(jìn)行了智能協(xié)調(diào)控制實(shí)驗(yàn)，將包含狀態(tài)異常的目標(biāo)路徑生成并傳輸至可編程控制器運(yùn)行，測(cè)試系統(tǒng)是否可監(jiān)測(cè)出異常原因并對(duì)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。經(jīng)測(cè)試，采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)運(yùn)行正常，采煤機(jī)滾筒運(yùn)行路徑與設(shè)置的目標(biāo)路徑誤差小于0.05 m，符合設(shè)計(jì)要求。智能協(xié)調(diào)控制實(shí)驗(yàn)中，采煤機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)如圖5所示。由圖5 可知，采煤機(jī)在102 m 與107 m 時(shí)出現(xiàn)異常，控制系統(tǒng)顯示原因?yàn)橛医馗铍娏鞑▌?dòng)與右截割電流異常，控制系統(tǒng)進(jìn)行了降低牽引速度、右搖臂下降處理。經(jīng)調(diào)節(jié)，采煤機(jī)狀態(tài)回復(fù)正常，智能協(xié)調(diào)控制實(shí)驗(yàn)符合要求，可應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)之中。

圖5 采煤機(jī)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)示意圖

5 結(jié)論

1）采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究主要包括牽引調(diào)速控制和滾筒調(diào)高控制兩方面控制研究。

2）采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)由機(jī)載監(jiān)控、順槽監(jiān)控以及地面監(jiān)控三部分組成，軟件由SIMATIC WinCC 軟件設(shè)計(jì)研發(fā)。經(jīng)目標(biāo)路徑實(shí)驗(yàn)和智能協(xié)調(diào)控制實(shí)驗(yàn)測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)運(yùn)行正常，系統(tǒng)運(yùn)行路徑誤差小于0.05 m，智能協(xié)調(diào)實(shí)驗(yàn)符合要求，可應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。