基于負載自適應預測的采煤機調速系統協同控制

高國強

（陽煤一礦機電工區信息中心， 山西 陽泉 045008）

1 綜采裝備的協同工作過程

在綜采工作面當中，采煤機、刮板輸送機和液壓支架是主要的機電裝備，它們的尺寸必須相互匹配，在運行過程中要高度配合，這就是所謂的“三機配套”。通常，在水平運輸和傾斜運輸中，都可使用刮板輸送機。在采煤環節中，采煤機的行走齒輪會嚙合刮板運輸機銷排。這個時候，在采煤機煤壁側安裝的滑靴會在刮板運輸機上滑動，可將采煤機視為在刮板運輸機上來回運動，煤層高度會不斷有起伏，這就需要在左右方向上調高油缸，從而改變截割滾筒的高度。實施截割時，采煤機將煤塊破碎切割下來，螺旋葉片會將其送到刮板輸送機中。煤炭通過刮板輸送機被轉到順槽的刮板輸送機端部后傾卸到轉載機中，再經破碎機轉移到帶式輸送機中，最終實現煤炭的開采、轉運以及輸送[1]。

2 基于刮板輸送機負載預測的采煤機調速系統的功能

1）收集傳感數據。收集各項參數，如刮板輸送機機頭、機尾電機電流、溫度以及采煤機速度、方位等。

2）應用工業以太網實現S7協議通訊。在采煤機機載PLC、刮板輸送機機載PLC、組合開關、順槽PLC之間傳輸數據。

3）監控刮板輸送機和采煤機的聯合工作狀態。通過順槽監控主機，有效監測刮板輸送機、采煤機的運行狀況，將收集到的采煤機及刮板輸送機的運行數據通過Win CC的監控系統顯示出來。

3 基于刮板輸送機負載預測的采煤機調速系統設計

3.1 系統總體構架設計

將系統劃分為數據采集、數據通信和數據處理三部分。進行數據收集使用的傳感器，由溫度傳感器、軸編碼器和電流互感器等構成，主要是收集采煤機的速度、位置參數、電流參數。數據通信主要是創建系統網絡通信平臺，通過無線MESH交換機，布局于順槽中，并在刮板輸送機機載PLC、采煤機機載PLC實現數據的交換。通過數據處理部分來預測刮板輸送機負載，檢測刮板輸送機、采煤機的狀態，并通過遠程控制采煤機機載PLC有效控制采煤機的速度。

通過數據采集部分，收集刮板輸送機和采煤機數據，并傳輸至相應的機載PLC，機載PLC應用無線MESH交換網絡，把各項數據傳輸至由順槽控制的順槽PLC和主控計算機，通過主控計算機來預測、判定刮板輸送機負載，并控制采煤機的運行速度，使用無線MESH交換網絡把調整速度的命令傳輸至采煤機機載PLC，使用采煤機機載PLC驅動變頻器來調節采煤機的運行速度。該系統通過數據收集、網絡通訊以及數據處理，分別創建傳感器選型、工業以太網通訊平臺設計和遠程監控系統[2]。

3.2 選型

應用傳感器收集的數據，主要有采煤機速度、方位以及刮板輸送機的軸承溫度、電機電流等。所以，所用的傳感器大部分是溫度傳感器、電流互感器和軸編碼器。溫度傳感器使用的是GWP200型，主要用于采礦生產中，在刮板輸送機的機頭和機尾處安裝插入可拆式溫度傳感器，對電動機軸承的溫度實施實施測量。電流互感器的型號為LMZ-1，在組合開關中安裝使用，實時收集刮板輸送機電流數據。軸編碼器是一種礦用本安型軸編碼器，型號為BQH24，在采煤機牽引減速箱內的低速軸上安裝，運用軸編碼裝置脈沖來進行計數，通過這種方法能算出采煤機在開啟計數后在刮板輸送機上的運動距離，從而確定采煤機在工作狀態中所在的方位。

3.3 工業以太網通訊平臺設計

通過以太網通信系統來創建綜采工作面，在此基礎上，能實現遠程監控以及綜采工作面機電裝備的自動化。在該系統中，設計網絡通信平臺，通過無線MESH交換機，布局于順槽中，并在刮板輸送機機載PLC、采煤機機載PLC實現數據的交換，所用的硬件主要有PLC控制器以及無線MESH交換機。在運用刮板輸送機預測負載的基礎上，創建采煤機調速系統所具有的網絡拓撲結構，見圖1。

圖1 采煤機調速系統網絡拓撲結構

要實現穩定、及時、同步的通訊，采煤機調速系統網絡平臺運用根據TCP/IP協議簽訂的西門子S7協議族，將不同的控制器的網絡連接起來。通過STEP7實現它的Net Pro網絡組態，這是不同機載PLC進行通訊的基礎。通過分析可知，綜采工作面所處的環境具有極高的復雜性，要通過有線網絡實現通信，如果設備位置發生變化或者是綜采工作面出現塌方，此時，通信電纜就會受到極大的破壞，從而切斷通訊，其穩定性明顯降低，導致綜采工作面的生產狀況受阻。出現的這些問題，應用無線Mesh交換網絡機會順利解決。該系統使用的是礦用本安型無線交換機，其型號為KJJ12 7000，能快速輸出100/1 000 Mbps的以太網。應用于綜采工作面的無線網絡，其數據傳輸距離超過50 m，其以太光網信號接口和以太網信號接口分別為1個和2個，工作過程中的數據快速傳輸以及網絡終端設備接入的需求能被充分滿足[3]。

3.4 遠程監控系統搭建

在遠程監控系統中，包含的硬件主要是PLC控制器以及集中控制箱，其功能是預測并判定刮板輸送機負載，明確顯示刮板輸送機和采煤機的狀態數據和采煤機當中的PLC進行數據交換，從而有效控制采煤機速度。

在調速系統中，PLC控制器占據核心地位，控制器主要有采煤機機載PLC控制器、刮板輸送機機載PLC控制器、順槽PLC控制器以及組合開關PLC控制器，其型號都是SIMATIC S7-300。其任務主要是對傳感器收集到的信息進行接收、處理。應用MESH交換網絡以及工業以太網和順槽控制系統交換信息，有效控制采煤機、刮板輸送機的開啟和停止，對采煤機的各項參數進行有效控制。

設計機載控制器，有效結合了監控參數的數量和特征，并將控制系統的輸入輸出融合在內，對PLC的硬件結構進行高效配置。該系統使用的是礦用隔爆兼本安型集中控制箱，型號為KXJ0.5-1140，能與在井下安裝的無線Mesh交換機交換數據。集中控制箱是順槽控制系統主要構成部件，主要由接線腔、變壓器腔以及主控腔構成，見圖2。集中控制箱內部構造復雜，包含多種工作設備，例如光電轉換模塊、SIMATICS7-300 PLC、HMI顯示屏和工業計算機等。

圖2 集中控制箱

[1] 徐剛.綜采工作面配套技術研究[J].煤炭學報，2010（11）：1 921-1 924.

[2] 黃曾華.綜采工作面自動化控制技術的應用現狀與發展趨勢[J].工礦自動化，2013（10）：17-21.

[3] 劉溫暖，趙永德.電牽引采煤機調速系統[J].煤礦機械，2009（5）：125-127.