煤礦綜采工作面采煤機截割系統(tǒng)方案設(shè)計與應(yīng)用

曹建東

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團元甲煤業(yè)有限公司， 山西 臨汾 042100）

引言

煤礦井下綜采工作面采煤機控制系統(tǒng)的智能化是實現(xiàn)綜采工作面無人化、少人化的關(guān)鍵因素。采煤機運行過程時的煤巖狀態(tài)、采煤路線以及液壓支架/刮板輸送機的協(xié)同狀態(tài)使得截割頭運行軌跡不斷變化設(shè)置，造成偏航，嚴(yán)重影響了采煤機截割工作效率。目前各科研機構(gòu)主要采用紅外、超聲波、慣導(dǎo)等技術(shù)對采煤機截割軌跡進行循跡和定位[1-3]，但存在實現(xiàn)難度大、累積誤差大、價格高昂等問題。文章基于控制器以及伺服控制技術(shù)，建立并實現(xiàn)了采煤機截割系統(tǒng)方案，提高了采煤機截割頭控制精度，提升運行了效率。

1 總體方案

根據(jù)煤礦綜采工作面采煤機截割工藝流程，設(shè)計采煤機截割控制系統(tǒng)總體方案，如圖1 所示?？刂葡到y(tǒng)核心為PLC 控制器，分為HMI 模塊、I/O 模塊、供電電源模塊、溫度控制模塊、X 軸/Y 軸/Z 軸伺服控制模塊以及液壓控制模塊。根據(jù)控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案，擴展PLC 控制器的模擬量、數(shù)字量輸入輸出模塊共同構(gòu)成PLC 控制系統(tǒng)。HMI 模塊主要用于顯示采煤機截割系統(tǒng)運行狀態(tài)參數(shù)以及故障信息；I/O 模塊為電截割系統(tǒng)的數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、模擬量輸入以及模擬量輸出信號，如急停、復(fù)位、電動機啟動、電動機停止、溫度傳感器數(shù)據(jù)、液位傳感器數(shù)據(jù)、壓力傳感器數(shù)據(jù)等。供電電源模塊為PLC 系統(tǒng)供電，電壓等級為DC24 V。溫度控制模塊用于采煤機截割系統(tǒng)工作時的電機溫度，避免出現(xiàn)溫度過高、溫度過低造成短路等安全事故。液壓控制模塊用于控制采煤機截割系統(tǒng)工作時油泵系統(tǒng)液壓液位低于設(shè)定液位最低值時，需由PLC 控制系統(tǒng)控制補液泵開啟完成補液過程，補液過程結(jié)束后關(guān)閉補液泵[4]。X 軸、Y 軸、Z 軸伺服控制模塊用于控制截割頭在X、Y、Z 方向上的移動速度和規(guī)律控制。

圖1 綜采工作面采煤機截割系統(tǒng)總體設(shè)計方案框圖

2 硬件設(shè)計

煤礦綜采工作面采煤機截割控制系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖見圖2 所示，根據(jù)工藝以及總體設(shè)計要求，擴展數(shù)字量輸入模塊，涉及到的輸入點如X/Y/Z 軸伺服電動機準(zhǔn)備好、X/Y/Z 軸正負(fù)極限值等[5-6]；擴展數(shù)字量輸出模塊，涉及到的輸出點如急停、復(fù)位、點進、啟動、停止等；擴展模擬量輸入模塊，涉及到的輸入點如溫度傳感器信號、液位傳感器信號等；擴展CAN 總線通信模塊，完成PLC 控制系統(tǒng)與HMI 以及X/Y/Z 軸伺服電動機驅(qū)動器的通信。在該弱電系統(tǒng)中，還包括電源轉(zhuǎn)換模塊，如AC220 V 轉(zhuǎn)DC24 V、AC220 V 轉(zhuǎn)DC12 V。

圖2 煤礦綜采工作面采煤機截割控制系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖

PLC 控制器選用的是BeckHoff CX8050 可擴展EL1008 數(shù)字量輸入模塊，一個模塊有8 路輸入點，擴展4 個EL1008 模塊，地址分別為I0.0- I0.7、I1.0- I1.7 以及I2.0- I2.7 以及I3.0- I3.7，詳細(xì)地址分配如表1 所示。表1 中的“常開”是指該輸入點為常開節(jié)點，即在初始狀態(tài)時，該節(jié)點為斷開，該節(jié)點動作后，實際觸點閉合?！俺ｉ]”是指該輸入點為常閉節(jié)點，即在初始狀態(tài)時，該節(jié)點閉合，該節(jié)點動作后，實際觸點斷開。如急停類節(jié)點為常閉節(jié)點，保護類節(jié)點（漏電閉鎖、過熱保護等）為常閉節(jié)點，其余的節(jié)點為常開節(jié)點。

表1 數(shù)字量輸入點地址配置

3 軟件設(shè)計

煤礦綜采工作面采煤機截割控制系統(tǒng)軟件總體設(shè)計框圖見圖3 所示，一共分為4 個程序部分，即上位機監(jiān)控平臺程序、CAN 通信程序、邏輯控制程序以及操作模式程序。上位機監(jiān)控平臺程序主要完成PLC控制系統(tǒng)與HMI 之間的數(shù)據(jù)傳送以及顯示，將采煤機截割系統(tǒng)運行過程中的狀態(tài)信息、參數(shù)信息、故障信息在HMI 平臺進行實時顯示。CAN 通信程序主要完成PLC 控制器與X 軸、Y 軸以及Z 軸伺服電動機驅(qū)動器之間的指令、數(shù)據(jù)傳送，由PLC 控制器以CAN總線通信模式完成對X 軸、Y 軸以及Z 軸伺服電動機的直接控制[7]。邏輯控制程序用于完成對采煤機截割頭過程的邏輯控制，如電動機啟動、點進、點退、橫向位移、縱向位移以及故障報警等邏輯功能；操作模式程序主要完成對采煤機截割頭的手動控制、自動控制、循跡運行等操作模式的控制和切換。

圖3 煤礦綜采工作面采煤機截割控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

煤礦綜采工作面采煤機截割控制系統(tǒng)軟件模塊劃分劃分為初始化模塊、邏輯控制模塊、通信模塊、模擬量處理模塊、保護模塊、報警模塊以及HMI 模塊8個部分。初始化模塊用于完成對軟件程序中用到的內(nèi)存、定時器、計數(shù)器、數(shù)組等進行賦0 或者賦定值操作。邏輯控制模塊主要完成對工件加工時的順序控制、數(shù)字輸入量延時控制、傳感器數(shù)值判斷控制等。CAN 同通信模塊主要完成PLC 控制器與HMI 監(jiān)控平臺、X/Y/Z 軸伺服驅(qū)動器的CAN 通信連接的建立、維護、修改以及數(shù)據(jù)/指令傳輸。模擬量處理模塊主要完成對溫度傳感器、液位傳感器數(shù)據(jù)的周期性采集、濾波以及數(shù)據(jù)正確性判斷，保證采集到的模擬量數(shù)據(jù)的有效性和正確性。保護模塊主要完成對控制系統(tǒng)的保護功能，如過壓、過熱、漏電等，當(dāng)發(fā)生上述情況時，需及時通知PLC 控制器并采用的相應(yīng)的措施，如停機等操作。操作模式控制模塊主要完成對手動控制、自動控制、自動循跡等控制模式的切換和實施。報警模塊主要完成系統(tǒng)報警和故障顯示功能并在HMI監(jiān)控平臺上進行實時顯示。HMI 模塊主要完成采煤機截割頭運行狀態(tài)、參數(shù)設(shè)置、故障信息、位置信息等數(shù)據(jù)的顯示，以CAN 總線通信模式獲取PLC 控制器傳送的數(shù)據(jù)。

在PLC 控制器與人機界面eMT3070B 進行CAN通信時，需要將數(shù)據(jù)與人機界面上的位點地址進行一一對應(yīng)。PLC 主站控制器與監(jiān)控平臺之間以CAN 通信方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)和控制指令的傳遞。采用CAN2.0B協(xié)議，設(shè)置波特率為250 kbit/s，幀格式為標(biāo)準(zhǔn)幀格式，HMI 監(jiān)控平臺的節(jié)點號為2。PLC 主站控制器與監(jiān)控平臺的CAN 通信協(xié)議格式定義見表2。

表2 PLC 控制器與HMI 監(jiān)控平臺CAN 通信協(xié)議格式定義

4 應(yīng)用效果

為驗證設(shè)計并實現(xiàn)的煤礦綜采工作面采煤機截割系統(tǒng)方案的正確性和適用性，以低矮型MG110/265-BDW 電驅(qū)型采煤機為試驗對象，從2021年3—9 月進行工業(yè)試驗。試驗中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用該截割系統(tǒng)控制方案后，采煤機截割頭運行軌跡能按照設(shè)計軌跡行進，X 軸方向系統(tǒng)誤差保持在2%以下，Y 軸方向系統(tǒng)誤差保持在2.3%以下，Z 軸方向系統(tǒng)誤差保持在2.2%以下，截割頭實時定位誤差保持在2.7%以下，大大提高了采煤機截割頭控制精度，提升了采煤機運行效率。

5 結(jié)論

1）設(shè)計以BeckHoff CX8050 控制器為核心的采煤機截割系統(tǒng)總體、硬件、軟件設(shè)計方案，并可完成截割頭軌跡的手動、自動以及循跡三種控制模式。

2）建立采煤機截割系統(tǒng)監(jiān)控平臺，以CAN 總線通信方式實現(xiàn)PLC控制器與HIM監(jiān)控平臺數(shù)據(jù)的實時交互，增強了采煤機截割控制系統(tǒng)的可視性和友好性。

3）采煤機截割控制系統(tǒng)的發(fā)展方向為智能化、信息化以及網(wǎng)絡(luò)化。