基于PLC的采煤機(jī)自動(dòng)截割控制技術(shù)的研究

栗平生

（晉能集團(tuán)晉中有限公司， 山西 晉中 030600）

引言

采煤機(jī)作為井下最重要的煤炭采集的機(jī)械設(shè)備，其工作的穩(wěn)定性和自動(dòng)化程度直接關(guān)系著煤炭生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)效益。在采煤機(jī)工作時(shí)需要根據(jù)井下綜采面煤層的分布情況不斷的對其懸臂高度進(jìn)行調(diào)整，確保采煤機(jī)的工作安全和綜采效率。大多數(shù)煤炭生產(chǎn)企業(yè)所使用的采煤機(jī)在執(zhí)行截割作業(yè)時(shí)均需要人工對懸臂的高度進(jìn)行調(diào)整，操作時(shí)需要高度集中注意力，同時(shí)還要兼顧采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)、液壓支架之間的相對位置關(guān)系和綜采速度，避免出現(xiàn)因配合脫節(jié)造成的冒頂或者漏采事故，因此工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、極易疲勞，且受煤礦井下高塵、高噪聲的影響，在操作時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)誤判，造成采煤機(jī)截齒截割到巖壁等事故，嚴(yán)重影響了采煤機(jī)的安全運(yùn)行和綜采效率，也不符合井下作業(yè)少人化的發(fā)展趨勢，因此本文應(yīng)用記憶截割控制技術(shù)，利用PLC可靠性高、數(shù)據(jù)分析速度快、精確性好的優(yōu)點(diǎn)，對采煤機(jī)的截割控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提升采煤機(jī)截割控制系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化水平[1]。

1 采煤機(jī)記憶截割原理及實(shí)現(xiàn)

采煤機(jī)要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)截割控制，其基礎(chǔ)是對煤層走向和分布進(jìn)行精確的判斷，根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)及綜合分析，本文提出利用采煤機(jī)記憶截割技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自動(dòng)截割控制的基礎(chǔ)。采煤機(jī)記憶截割技術(shù)主要是指采煤機(jī)在工作時(shí)，首先在作業(yè)人員的控制下進(jìn)行一個(gè)閉環(huán)的綜采面煤炭截割，在切割的過程中系統(tǒng)對采煤機(jī)在每個(gè)位置的地理坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)注和儲(chǔ)存。在后續(xù)的工作中在每一個(gè)水平點(diǎn)位，控制系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)之前記憶的同水平面上點(diǎn)位的坐標(biāo)進(jìn)行對比，在原有基礎(chǔ)上增加水平位置變量，以此類推，從而實(shí)現(xiàn)在其他區(qū)域采煤機(jī)的自動(dòng)工作，在截割的過程中若出現(xiàn)巷道地質(zhì)特征發(fā)生較大的變化，原有的記憶截割控制系統(tǒng)無法滿足自動(dòng)控制要求，則可由人工控制進(jìn)行操作，并再一次進(jìn)行記憶截割規(guī)劃。

采煤機(jī)的記憶截割控制原理如圖1所示，圖中X軸表示采煤機(jī)沿運(yùn)行的垂直方向，Y軸表示沿著采煤機(jī)工作時(shí)的前進(jìn)方向，Z軸表示空間高度。圖中均勻分布了記憶截割時(shí)所采集的36個(gè)數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)，在工作時(shí)當(dāng)采煤機(jī)切割完第i個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)系統(tǒng)對此時(shí)所有采樣點(diǎn)的高度數(shù)值進(jìn)行記錄，當(dāng)在切割第i+1刀時(shí)，在上述記錄點(diǎn)的基礎(chǔ)上自動(dòng)加入采煤機(jī)的移動(dòng)的位置數(shù)據(jù)，當(dāng)需要人工調(diào)節(jié)時(shí)則自動(dòng)記錄人工調(diào)整的數(shù)據(jù)，并保持，作為后續(xù)各切割點(diǎn)位的判斷依據(jù)[2]。

圖1 采煤機(jī)記憶截割原理示意圖

采煤機(jī)記憶截割控制流程如下頁圖2所示。

2 采煤機(jī)自動(dòng)截割控制系統(tǒng)的組成

采煤機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括信息傳輸系統(tǒng)及視頻監(jiān)測系統(tǒng)，視頻監(jiān)測系統(tǒng)主要是將視頻采集設(shè)備設(shè)置在采煤機(jī)、液壓支架及總采工作面，利用視頻監(jiān)測設(shè)備實(shí)現(xiàn)對綜采面工作過程的不間斷監(jiān)測，將監(jiān)測信息利用井下CAN總線結(jié)構(gòu)傳送到控制中，在控制中心工作人員可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對煤井下工作情況的實(shí)時(shí)掌握[3]，數(shù)據(jù)信息的傳輸流程如下頁圖3所示。

信息傳輸系統(tǒng)由發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備及傳輸設(shè)備構(gòu)成，工作人員根據(jù)在監(jiān)測中心監(jiān)測到的綜采面的運(yùn)行情況，對采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)出控制指令，數(shù)據(jù)以模擬信號(hào)的形式由發(fā)送設(shè)備發(fā)出，利用設(shè)置在采煤機(jī)控制系統(tǒng)上的接收設(shè)備接收到信號(hào)后進(jìn)行模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換，控制采煤機(jī)按照指定的運(yùn)行方式進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)工作狀態(tài)的遠(yuǎn)程控制，位于采煤機(jī)上的數(shù)據(jù)接收設(shè)備的核心為PLC系統(tǒng)，利用其可靠性高、靈敏性好、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的精確控制，自動(dòng)控制數(shù)據(jù)傳輸流程如圖4所示。

圖2 采煤機(jī)記憶截割控制流程

圖3 自動(dòng)控制系統(tǒng)視頻傳輸流程

圖4 自動(dòng)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸流程

3 采煤機(jī)與PCL控制單元間的通信結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在該采煤機(jī)自動(dòng)截割控制系統(tǒng)中PLC控制單元為整個(gè)系統(tǒng)最核心的單元，其主要用于對各數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所采集的采煤機(jī)及巷道工況數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并完成對控制信號(hào)的轉(zhuǎn)換的實(shí)際控制，完成對采煤機(jī)自動(dòng)截割路徑規(guī)劃控制和修正等，作為控制系統(tǒng)的靈魂，在該P(yáng)LC控制器上需要設(shè)置擴(kuò)展模塊及標(biāo)準(zhǔn)通信接口，以實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)工作狀態(tài)的靈活的調(diào)整和修正。在工作中需設(shè)置模擬信號(hào)變量實(shí)現(xiàn)PLC控制單元和采煤機(jī)的數(shù)據(jù)通信控制，PLC控制單元與采煤機(jī)的通信結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示[4]。

在PLC控制單元和采煤機(jī)之間采用了CAN數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)，利用其工作時(shí)信息傳輸速度快、實(shí)時(shí)性好和數(shù)據(jù)通信能力強(qiáng)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自動(dòng)截割控制系統(tǒng)工作時(shí)的可靠性和可操作性。

圖5 PLC控制單元與采煤機(jī)通信結(jié)構(gòu)

4 基于PCL采煤機(jī)截割控制系統(tǒng)的應(yīng)用

某礦綜采面上工作區(qū)域的長度約349 m，采掘時(shí)的推進(jìn)距離約1774 m，煤層厚度分布在3.69～4.42 m之間，平均厚度為3.84 m，綜采區(qū)域巷道的傾角為2°～4°，該煤礦煤層分布較為均勻，但巷道上層為采空區(qū)域，在工作時(shí)頂板壓頻較大，采掘過程中發(fā)生落煤、落石的概率大，工作環(huán)境危險(xiǎn)性高，因此首先在該區(qū)域投入了基于PLC的采煤機(jī)自動(dòng)截割控制系統(tǒng)，在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)只需在工作區(qū)域設(shè)置1名工作人員對采煤機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行跟控，經(jīng)長期運(yùn)行該系統(tǒng)表現(xiàn)出了很高的穩(wěn)定性，對巷道環(huán)境適應(yīng)性好，煤炭的出采率達(dá)到了94%，憑借其出色的遠(yuǎn)程控制功能，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)在工作時(shí)的遠(yuǎn)程控制，極大地提升了綜采面生產(chǎn)的自動(dòng)化程度和經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

1）基于PLC的采煤機(jī)自動(dòng)截割控制技術(shù)能夠靈活地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)記憶截割和人工截割，能適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境。

2）該控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出了極高的穩(wěn)定性和工作時(shí)的靈活性，遠(yuǎn)程控制情況下煤炭出采率達(dá)到了94%，大幅提升了綜采面的自動(dòng)化程度，具有極大的推廣應(yīng)用價(jià)值。