基于PLC 控制的采煤機自動割煤技術的研究與設計

齊寅偉

（西山礦業管理有限公司， 山西 太原 030053）

引言

智能化開采對采煤機的要求是可以隨著煤層的覆存條件及開采的狀態達到自動調節的目的。在采煤機智能開采的技術中，狀態感知及智能控制是其核心的技術。此前眾多學者對采煤機的智能化開采做出過一定的研究。何廣東[1]基于PLC 控制系統設計了采煤機的自動化、智能化割煤控制系統，實現了綜采工作面無人、少人模式下采煤機記憶割煤功能。郭衛[2]針對目前基于組態軟件設計的采煤機監控系統存在的不足，設計了采煤機智能化控制系統，環境參數信號能夠對采煤機進行自適應調速、調高以及停機等功能。路染妮[3]研究了采煤機的煤巖體識別技術和割煤技術等，實現了采煤機自動化和遠程操控，為系統監測工作及時提供科學準確的參考數據。本文結合采煤機在煤礦井下的實際工況，對采煤機的自動化、智能化割煤控制系統進行了深入研究，實現了煤礦綜采工作面的無人化、自動化開采。

1 滾筒采煤機的自動割煤控制系統的設計

滾筒采煤機的自動割煤控制系統主要由主控單元、自動控制單元、執行單元、信號采集單元和手動控制單元組成。傳感器作為采煤機的主要監測設備主要體現在機械傳動、采煤機運行狀態及環境等方面，對相關的數據進行監測，將監測的數據進行對采煤機主板的匯總，為采煤機主板對采煤機的運行進行及時有效的監測。采煤機的主板一般包括的技術參數有采煤機的開關信號、頻率信號、擬量輸入信號及繼電器信號燈。根據其工作參數將其分為了電氣控制板、液壓水路控制板、機械傳動控制板及姿態監控控制板。

滾筒采煤機的電氣主控板的技術參數主要包含：電壓等級、輸出電流、電壓變送器等。通過在采煤機的牽引電機部位安裝兩個電流傳感器，電流傳感器量程為0～500 A；同時在滾筒兩側的滾筒及牽引電機上安裝2 個C 型溫度傳感器，量程小于200 ℃，可通過電機的扭矩來監測和判斷滾筒的負載情況。液壓水路主控板主要有液壓油箱液位傳感器、壓力傳感器及溫度傳感器。通過壓力傳感器記錄進出口的壓力，當進出口出現壓力過大的情況時，考慮進出口堵塞，當進出口壓力較低時，考慮出現漏液及泄露問題。在冷卻水進出口的位置布置溫度傳感器，溫度傳感器的型號選擇為WS9050，用于監控冷卻口的溫度。在滾筒的油缸兩側分別安裝J120-192 壓力傳感器，數字采集量口5 個，模擬采集量為18 個，線路接口1 個。

傳動監控系統在油箱的內部安裝軸承溫度傳感器，以此來反應油箱內部的溫度，型號為WS9050，供電電壓設定為DC24 V。同時在機組的箱體內部安裝瓦斯濃度傳感器，瓦斯濃度傳感器的型號為DJ4G，額定的供電電壓為660 V/380 V/36 V，瓦斯濃度傳感器具備異常信息的輸出性能，以達到報警的作用。同時布置2 路電源，均為18 V。

采煤機運行姿態監控板主要包括了滾筒的高度及采煤機工作的傾角。在滾筒的搖臂位置布置位置監控板，位置監控板可以根據左右搖臂的角度來計算采煤機的滾筒工作高度。采煤機的傾角計算主要依靠雙軸的傾斜角度及電子的傾角。在采煤機滾筒的齒輪部位安裝旋轉編碼器，系統還具有采集器6個及上下聯接口各一個[4]。

滾筒采煤機的智能化運行控制主要依靠運行控制器及主控板完成，可以實現對各個電動機的斷電、送電等指令。同時可以控制電動機的啟動和停止、滾筒的截割高度、牽引力換向等命令。智能控制系統不需要邏輯語言運算，依靠于工作人員的手動操作命令。采煤機手柄控制單元用于收集人工的命令并將其傳輸至采煤機控制板，以達到工作的合理有序。采煤機的智能化算法是采煤機自動割煤的重要依據，其核心為中央控制器。中央控制板通過對收集的數據進行處理利用煤巖識別技術或采煤機記憶割煤進行命令處理，并將命令發于采煤機的運行控制板。滾筒采煤機遠程控制系統示意圖如圖1 所示。

圖1 滾筒采煤機遠程控制系統設計示意圖

2 自動割煤控制系統的煤巖體識別功能

煤巖識別技術作為自動割煤控制系統的核心，主要依靠安裝在煤巖的接觸面上的傳感器，監測和記錄采煤機滾筒的油缸壓力和電機的電流。滾筒采煤機在截割作業的過程中由于滾筒油缸壓力及電機電流作用產生一定的波動，由于煤層與巖層的硬度不同采煤機的波動幅度也是不同的，當采煤機進行割煤時由于煤層的硬度較低，采煤機的波動幅度較低，當采煤機進行割煤時，由于巖層的硬度較大，電動機的電流及滾筒的油缸壓力均升高，所以采煤機的振動幅度也就較大，通過這些途徑來實現煤巖體的識別。在割煤作業時，采煤機的滾筒轉速、牽引電機的電流、滾筒的油缸壓力等均處于穩定狀態，此時的采煤機在作業時只會自上向下運動，不會水平移動。與此同時，通過預先設定的數值，當采煤機滾筒上方的油缸壓力會在滾筒升至設定高度時停止，避免截齒截割巖層[5]。

當智能化監測系統根據傳輸的數據得出滾筒電機的載荷電流增大，滾筒的油缸壓力也呈現出增大的趨勢，此時滾筒接觸到了巖層，此時在滾筒的轉速一定的前提下，對油缸的上腔部位進行注油，此時采煤機的滾筒在共同作用下會出現降低的情況，避免繼續出現割巖的現象。當采煤機的滾筒在接觸到巖層后出現降低后，此時隨著降低的幅度逐步增大，采煤機滾筒油缸內部的油液恢復到正常的壓力，此時采煤機的滾筒停止降低，開始正常割煤。當頂板的巖層截割角度大于綜采面頂板的極限傾角時，此時采煤機的控制系統會發出異常信號，此時采煤機根據指令會降低牽引速度和采煤機的滾筒轉速，保證采煤機的正常運行。在通過滾筒控制算法對其進行有效控制的前提下還需根據電動機的電流、采煤機的滾筒轉速、采煤機運行速度等進行控制，達到滾筒采煤機的自動化割煤。

3 結語

采煤機的智能化割煤在實際生產中不僅截割效率高，同時可以有效地減小礦山工作人員的勞動強度，提升礦山的安全性。現階段的煤巖識別技術可以有效地識別煤層與巖層且準確率高，所以采煤機的智能控制已經成為了礦山的熱門課題，本文根據已有的資料對采煤機的智能控制系統進行一定的設計，為建設智慧化高產、高效礦井奠定基礎。