綜采“三機(jī)”聯(lián)動(dòng)工藝及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

武文財(cái)

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司屯蘭礦， 山西 太原 030206）

引言

綜采工作面無人化、全智能化、高度自動(dòng)化生產(chǎn)是煤礦未來的發(fā)展方向，也是主要技術(shù)趨勢(shì)。實(shí)現(xiàn)工作面采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)以及液壓支架“三機(jī)”的聯(lián)動(dòng)控制是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的基礎(chǔ)；此外，還需要運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制功能的集成。實(shí)現(xiàn)綜采工作面的自動(dòng)化、無人化生產(chǎn)可減少現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)的安全性[1]。目前，綜采工作面已經(jīng)具備了局部的自動(dòng)化跟機(jī)控制功能，并未全部在實(shí)際生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。為綜采工作面的全自動(dòng)化和智能化生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)，本文重點(diǎn)對(duì)“三機(jī)”聯(lián)動(dòng)工藝及其控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 “三機(jī)”聯(lián)動(dòng)工藝方案設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

綜采“三機(jī)”指采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)和液壓支架；除此之外，工作面還包括有轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、帶式輸送機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備，具體組成如圖1 所示。

圖1 工作面設(shè)備組成

本文具體對(duì)綜采“三機(jī)”聯(lián)動(dòng)控制進(jìn)行研究，對(duì)應(yīng)的采煤機(jī)型號(hào)為MG900/2210-WD，液壓支架型號(hào)為ZY12000/28/63D，刮板輸送機(jī)型號(hào)為SGZ1250/3000。

1.2 “三機(jī)”聯(lián)動(dòng)工藝方案設(shè)計(jì)

所謂“三機(jī)”聯(lián)動(dòng)指的是，采煤機(jī)的自動(dòng)牽引截割；液壓支架根據(jù)采煤機(jī)的位置和牽引速度完成移架、伸縮護(hù)板幫；完成刮板輸送機(jī)的移機(jī)操作，并基于刮板輸送機(jī)完成推溜操作。為保證“三機(jī)”聯(lián)動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)，對(duì)各個(gè)設(shè)備均提出相應(yīng)的要求：

1）采煤機(jī)聯(lián)動(dòng)要求：采煤機(jī)的牽引速度與刮板輸送機(jī)的負(fù)荷進(jìn)行自適應(yīng)關(guān)聯(lián)控制，此項(xiàng)操作的主要目的是避免刮板輸送機(jī)超載、欠載運(yùn)行；結(jié)合采煤機(jī)的實(shí)時(shí)牽引速度和位置對(duì)不同位置液壓支架的動(dòng)作控制以及刮板輸送機(jī)的推溜情況進(jìn)行控制[2]。

2）液壓支架聯(lián)動(dòng)要求：液壓支架根據(jù)采煤機(jī)的位置完成伸收護(hù)幫板、升架、降架等操作；同時(shí)，根據(jù)對(duì)液壓支架油壓和移架行程的監(jiān)測(cè)，完成對(duì)液壓閥的控制。一般的，應(yīng)保證液壓支架的追機(jī)速度大于采煤機(jī)的牽引速度。

3）刮板輸送機(jī)聯(lián)動(dòng)要求：對(duì)刮板輸送機(jī)電機(jī)電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)：當(dāng)刮板輸送機(jī)電機(jī)電流大于額定電流的85%時(shí)，采煤機(jī)應(yīng)降低牽引速度，對(duì)應(yīng)的截割煤量減?。划?dāng)刮板輸送機(jī)電機(jī)電流小于額定電流的65%時(shí)，采煤機(jī)應(yīng)提高牽引速度，提高截割煤量；從而保證刮板輸送機(jī)在允許范圍內(nèi)高效率運(yùn)煤。

為保證綜采工作面“三機(jī)”聯(lián)動(dòng)功能的順利實(shí)現(xiàn)，避免在聯(lián)動(dòng)控制中出現(xiàn)事故，需根據(jù)采煤機(jī)的外形尺寸、液壓支架的中心距離設(shè)定“三機(jī)”聯(lián)動(dòng)的安全距離[3]。一般的，液壓支架伸收護(hù)板幫且完成移架操作時(shí)需要與采煤機(jī)保持15 m 的安全距離，具體聯(lián)動(dòng)工藝如下頁圖2 所示。

如圖2 所示，采煤機(jī)中心位置位于28 號(hào)液壓支架。在安全距離的基本要求下，根據(jù)采煤機(jī)的外形尺寸和液壓支架的中心距離等參數(shù)，不同位置液壓支架的聯(lián)動(dòng)情況如下：1～10 號(hào)液壓支架進(jìn)行推溜操作（距離后滾筒13 個(gè)液壓支架中心距離的位置）；15 號(hào)液壓支架伸護(hù)幫板（距離后滾筒8 個(gè)液壓支架中心距離的位置）；17～21 號(hào)液壓支架進(jìn)行移架操作（距離后滾筒2個(gè)液壓支架中心距離的位置）；36 號(hào)液壓支架收護(hù)幫板（距離前滾筒三個(gè)液壓支架中心距離的位置）。

圖2 “三機(jī)”聯(lián)動(dòng)工藝流程

2 “三機(jī)”聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

“三機(jī)”聯(lián)動(dòng)控制的核心為根據(jù)采煤機(jī)的牽引速度和位置對(duì)液壓支架的伸收護(hù)幫板、移架以及刮板輸送機(jī)的推溜進(jìn)行控制[4]。此外，為聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)配置遠(yuǎn)程監(jiān)控和總線傳輸功能，對(duì)應(yīng)的“三機(jī)”聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 “三機(jī)”聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

如圖3 所示，“三機(jī)”聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)包括有地面管理層、巷道監(jiān)控層和設(shè)備層。其中，地面管理層是實(shí)現(xiàn)對(duì)綜采工作面“三機(jī)”聯(lián)動(dòng)控制的中心。巷道監(jiān)控層核心設(shè)備為“三機(jī)”聯(lián)動(dòng)控制器，其是對(duì)設(shè)備層所采集的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行綜合匯總并分析；設(shè)備層包括有液壓支架控制器、采煤機(jī)控制系統(tǒng)和刮板輸送機(jī)控制系統(tǒng)。

根據(jù)如圖3 所示的聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)綜采工作面設(shè)備的順序啟?？刂?、完成采煤機(jī)自動(dòng)牽引割煤控制、完成液壓支架的跟機(jī)自動(dòng)化控制、完成刮板輸送機(jī)的負(fù)荷自適應(yīng)控制、實(shí)現(xiàn)巷道監(jiān)控層與設(shè)備層和地面管理層的控制等[5]。

本聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件選型主要包括有PLC 控制器及各類傳感器，PLC 選擇S7-300 系列PLC 控制器，傳感器選型結(jié)果如表1 所示。

表1 傳感器選型結(jié)果

3 聯(lián)動(dòng)控制功能驗(yàn)證

為驗(yàn)證“三機(jī)”聯(lián)動(dòng)控制功能，分別對(duì)采煤機(jī)在不同工況下液壓支架的動(dòng)作情況進(jìn)行仿真分析，得出如下結(jié)論：

1）當(dāng)采煤機(jī)未截割三角煤且中心位置處于14 號(hào)液壓支架的位置，對(duì)應(yīng)22 號(hào)液壓支架實(shí)施收護(hù)幫板操作，1 號(hào)液壓支架實(shí)施伸護(hù)幫板操作，7 號(hào)液壓支架開始移架操作。

2）當(dāng)采煤機(jī)進(jìn)入直線開采階段且中心位置位于40 號(hào)液壓支架的位置，對(duì)應(yīng)1～10 號(hào)液壓支架實(shí)施推溜操作；同時(shí)，當(dāng)1 號(hào)液壓支架完成推溜操作任務(wù)后，采煤機(jī)實(shí)施下一階段的截割三角煤的任務(wù)。

3）當(dāng)采煤機(jī)實(shí)施截割三角煤且中心位置處于17號(hào)液壓支架的位置時(shí)，對(duì)應(yīng)9 號(hào)液壓支架實(shí)施收護(hù)幫板操作，30 號(hào)液壓支架實(shí)施伸護(hù)幫板操作；當(dāng)采煤機(jī)完成三角煤的截割任務(wù)后，改變采煤機(jī)牽引方向。

4）當(dāng)采煤機(jī)改變牽引方向截割三角煤且中心位置處于34 號(hào)液壓支架時(shí)，42 號(hào)液壓支架實(shí)施收護(hù)幫板操作；27 號(hào)液壓支架實(shí)施移架操作；21 號(hào)液壓支架實(shí)施伸護(hù)幫板操作；6～16 號(hào)液壓支架實(shí)施推溜操作。

4 結(jié)語

實(shí)現(xiàn)綜采工作面“三機(jī)”的聯(lián)動(dòng)控制是實(shí)現(xiàn)煤礦自動(dòng)化、智能化、無人化生產(chǎn)的基礎(chǔ)。目前，綜采工作面的“三機(jī)”聯(lián)動(dòng)僅實(shí)現(xiàn)部分自動(dòng)化功能。為此，本文基于PLC 控制器和各類傳感器根據(jù)采煤機(jī)的實(shí)時(shí)位置和牽引方向?qū)σ簤褐Ъ艿囊萍?、伸收護(hù)幫板和刮板輸送機(jī)的推溜操作進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制。通過實(shí)踐表明，所設(shè)計(jì)的“三機(jī)”聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)可根據(jù)不同工況完成采煤機(jī)的自動(dòng)牽引截割煤層控制、刮板輸送機(jī)的負(fù)荷自適應(yīng)控制以及液壓支架的伸收護(hù)板幫和移架控制，可在實(shí)踐應(yīng)用中推廣。