采煤機自動控制系統(tǒng)設(shè)計研究

王志敏

（鐵峰煤業(yè)有限公司，山西 朔州 037200）

引言

煤炭作為我國的支柱產(chǎn)業(yè)，安全高效生產(chǎn)對行業(yè)發(fā)展至關(guān)重要。近年來，將工作面人員從井下惡劣的生產(chǎn)環(huán)境中解放出來逐漸成為我國煤炭行業(yè)研究的熱門話題，煤炭開采的自動化智能化發(fā)展逐漸成為研究的主要方向?，F(xiàn)階段，采煤機作為煤炭井下的重要生產(chǎn)工具，其自動化智能化水平還普遍偏低，大多數(shù)企業(yè)仍然以人工割煤為主[1-5]。針對這一現(xiàn)象，本文提出了采煤機自動截割控制的設(shè)計研究，通過基于定速控制的參數(shù)化自動截割技術(shù)，實現(xiàn)采煤機的自動化智能化截割，解放井下人工勞動力，保障企業(yè)的人身財產(chǎn)安全。

1 采煤機基本機構(gòu)及工作方式

采煤機主要由搖臂、電控箱、牽引系統(tǒng)、機體、行走箱以及泵箱等組成。其中，截割系統(tǒng)主要是由滾筒與搖臂組成，主要作用是截割煤炭，同時將煤炭運輸至輸送機；牽引系統(tǒng)主要由牽引部與行走箱組成，主要作用是牽引采煤機行走，使采煤機可在工作面自由移動；中部框架是由支腿、平滑靴、拉缸以及各類連接部件等組成，中部框架是整個采煤機系統(tǒng)的主要承載部件；電氣部分主要包括電源、電控箱、開關(guān)、變壓器以及各類電纜等[6-8]。

采煤機通過兩端進刀以及中部進刀兩種方法工作，大多數(shù)企業(yè)以兩端進刀方法為主，采用雙向割煤技術(shù)。兩端進刀割煤技術(shù)主要由三個基本動作組成，包括設(shè)備左右牽引移動、搖臂上下移動定位以及液壓支架推溜。采煤機的工作步驟主要分為以下5 步：第一步，采煤機運行至工作位置，前后滾筒對頂煤以及底煤進行割煤操作；第二步，當(dāng)煤壁割透后，將采煤機轉(zhuǎn)向相反的方向，前滾筒上升，后滾筒下降，在大約為設(shè)備兩個機身處位置開始液壓支架推動運輸機，使采煤機開始斜切煤壁；第三步，采煤機進入正常工作狀態(tài)；第四步，升降前后滾筒，移動支架與運輸機，設(shè)備至平巷行程；第五步，升降前后滾筒，進入快速采煤行程，直至該平巷采煤完成。

2 采煤機自動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 整體設(shè)計

采煤機自動控制系統(tǒng)主要可以分為主控系統(tǒng)、IO控制系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、線路系統(tǒng)、變頻器系統(tǒng)、遠程系統(tǒng)以及人機界面系統(tǒng)。其中，PLC 可編程控制器選取歐姆龍40 點PLC 為系統(tǒng)主控制器，線路選取為CAN總線結(jié)構(gòu)。采煤機自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如下頁圖1 所示。主控系統(tǒng)主要由可編程控制器、動力源以及繼電器等組成，主要作用是控制搖臂上下動作、設(shè)備左右移動、系統(tǒng)保護、過電流保護、高溫保護、瓦斯泄露保護、線路保護、傳感器保護以及數(shù)據(jù)收集；IO 控制系統(tǒng)的主要作用是控制設(shè)備部件的斷電與送電，控制部件包括截割電動機、變壓器以及變頻器等，同時，IO 控制系統(tǒng)還包括遙控、按鈕以及開關(guān)等信號控制器；監(jiān)測系統(tǒng)主要由各類傳感器組成，是系統(tǒng)信號采集的主要來源，包括溫度傳感器、電流傳感器、油溫傳感器、壓力傳感器以及位置傳感器等，可通過各類傳感器對采煤機信息進行采集與計算分析，從而得出采煤機當(dāng)前的運行狀態(tài)，監(jiān)測設(shè)備是否運行正常；線路系統(tǒng)使用的是CAN 總線結(jié)構(gòu)，CAN 線路為多主模式，可在任意一節(jié)點對其他節(jié)點在任何時刻發(fā)送信息，節(jié)點之間不存在主節(jié)點與從節(jié)點之分，在報文標(biāo)識符方面，CAN 節(jié)點具有優(yōu)先級區(qū)別，在不同情況可進行不同的操作，級別較高的節(jié)點傳輸可在134 μs 范圍內(nèi)，CAN 運用的是總線仲裁方式，當(dāng)總線接收到許多節(jié)點的信息時，總線會對級別較高的節(jié)點信號數(shù)據(jù)進行傳輸，級別較低的節(jié)點信號會暫時忽略；遠程系統(tǒng)的主要作用是將采煤機井下運行的實時情況傳輸至監(jiān)控中心或者地面系統(tǒng)，以使調(diào)度人員可對采煤機實時信息進行掌控，該系統(tǒng)是采煤機自動化智能化技術(shù)的關(guān)鍵系統(tǒng)；變頻器系統(tǒng)主要包括主變頻器以及從變頻器兩部分，其中主變頻器設(shè)置在設(shè)備左邊，從變頻器設(shè)置在設(shè)備右方。變頻器的控制方法采用的是直接轉(zhuǎn)矩控制法，主、從變頻器轉(zhuǎn)矩控制一致，系統(tǒng)設(shè)有故障報警功能，且當(dāng)系統(tǒng)提供扭矩有差別后，系統(tǒng)會迅速調(diào)節(jié)一致，保證采煤機的科學(xué)合理運行。

圖1 采煤機自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 基于定速控制的參數(shù)化自動截割技術(shù)

采煤機自動化智能化控制采用的是基于定速控制的參數(shù)化自動截割技術(shù)，其本質(zhì)是對采煤機的割煤采高進行人工學(xué)習(xí)，通過對正常的割煤過程進行學(xué)習(xí)記錄，完成設(shè)備的智能控制?；诙ㄋ倏刂频膮?shù)化自動截割技術(shù)主要包括數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)處理、路徑參數(shù)化以及定速自動截割四個步驟。其中，數(shù)據(jù)采樣是對人工割煤過程進行相關(guān)數(shù)據(jù)記錄；數(shù)據(jù)處理主要是通過PLC 可編程控制器進行空間以及地址映射；路徑參數(shù)化主要是將處理后的數(shù)據(jù)進行模型建立，利用模型以及相關(guān)數(shù)據(jù)形成模式化的路徑，實現(xiàn)智能化的控制；定速自動截割主要是對搖臂上升下降以及設(shè)備行走速度與方向進行相關(guān)設(shè)置。相關(guān)設(shè)置需通過人工示教的方法進行，使操作人員正常割煤，控制系統(tǒng)對割煤過程進行學(xué)習(xí)記錄。在實際截割過程中若發(fā)生特殊情況，系統(tǒng)還設(shè)計了人工干預(yù)功能，人工干預(yù)的具體流程如圖2 所示。

圖2 自動截割下人工干預(yù)流程圖

3 采煤機自動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

采煤機自動控制系統(tǒng)軟件，本文選用CX-Programmer 軟件進行設(shè)計。CX-Programmer 軟件是歐姆龍PLC 的配套編程軟件，具有三種編程語言模式，同時具備程序模擬功能，可對錯誤程序進行及時糾正，本文采用的編程語言為梯形圖語言。首先，應(yīng)依據(jù)采煤工藝進行參數(shù)設(shè)置，依據(jù)現(xiàn)場實際生產(chǎn)狀況和工藝進行對應(yīng)核對，隨后即可進行人工示教以及自動記憶截割，同時將人工干預(yù)流程編入系統(tǒng)內(nèi)，完成后即可得到采煤機自動控制系統(tǒng)軟件。

4 系統(tǒng)測試

將上述設(shè)計應(yīng)用于某煤礦進行硬件、軟件調(diào)試并進行整機智能化運行測試，系統(tǒng)運行平穩(wěn)可靠，自動截割系統(tǒng)各部件運行正常、方便靈活、無錯誤動作發(fā)生，符合自動控制系統(tǒng)的設(shè)計要求。

5 結(jié)論

隨著自動化智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，煤礦井下開采智能化逐漸成為煤炭企業(yè)發(fā)展的主要方向。采煤機作為井下開采的關(guān)鍵設(shè)備，其自動化智能化發(fā)展至關(guān)重要。針對現(xiàn)階段采煤機智能化水平較低的現(xiàn)象，本文提出了采煤機自動截割控制的設(shè)計研究。通過分析研究，本文主要得出了以下結(jié)論：

1）采用基于定速控制的參數(shù)化自動截割技術(shù)可實現(xiàn)采煤機自動控制系統(tǒng)設(shè)計研究，通過對采煤機數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)處理、路徑參數(shù)化以及定速自動截割可完成采煤機自動控制系統(tǒng)設(shè)計。

2）對設(shè)計系統(tǒng)進行測試后發(fā)現(xiàn)，采煤機自動控制系統(tǒng)運行平穩(wěn)可靠，部件運行靈活，符合相關(guān)設(shè)計要求。