滾筒采煤機智能化控制系統的設計

陳甲君

（杜兒坪礦抽采區管路隊， 山西 太原 030022）

引言

由于目前采煤機工作環境粉塵多、風險高，工作人員勞動強度大，生產率低，對采煤機進行自動化設計改造勢在必行。采煤機自動化改造能夠減少工作人員勞動強度的同時，也能加大煤炭產量。當前，煤礦使用的采煤設備及工藝為綜合長臂機械采煤，采煤設備高速發展使采煤工作能夠實現安全、高效、綠色生產。智能化、自動化以及先進裝備制造工藝技術，使煤炭采煤機控制智能化成為現實。

1 總體方案的設計

1.1 采煤機系統控制主要結構

依據綜采工作面實際工作情況以及需要，把采煤機智能控制監控分成以下部分：手動控制模塊、采集信息模塊、PLC 控制器、執行輸出模塊、自動控制模塊[1]，結構系統如1 圖。

1.2 系統控制設計

系統控制由相關傳感器、采集數據模塊、繼電設備、稱重傳感器、傾角測量傳感器、保護電機模塊、啟動控制模塊、鍵盤、PLC 組成，通過它們實現采煤機自動控制、監視采煤機工況以及設備保護功能等。

1.2.1 模式控制

1）點動：主要是對液壓部分、傳輸部分、裝卸部分、切割頭部分等進行點動工作，這一模式主要是為了對設備進行調整。

2）單控：主要是對液壓部分、傳輸部分、裝卸部分、切割頭部分等進行單項功能作業啟動，這一模式主要通過人工生產控制。

3）聯控：主要是對液壓部分、傳輸部分、裝卸部分、切割頭部分等進行程序控制，這一模式主要通過智能自動控制。

1.2.2 軟、變頻啟動控制

由于采煤機運行電機功率很大，需使用軟啟動或者變頻器啟動，可減少起動電流，減少對電網沖擊。軟啟動設備具備通訊能力，并配有485 通訊端口，具備Modbus 協議，這樣更有利于和控制組態進行連接[2]。

1.2.3 電機保護智能化

皮帶電機、刮板電機、裝卸電機、泵電機等配有智能的保護裝置，通過CPU 對電機進行監控，能應對短路、漏電、欠壓、過壓、缺相、過電流等情況，同時具有遠程通訊工控機的功能。

1.2.4 智能自動控制

1）安裝在切割臂上的傳感器通過通信接口和工控機進行連接，通過對切割臂測量擺角，達到開采高度的監視與控制。

2）在行走系統中安裝有流量計或者編碼器，通過與工控機進行通信，從而達到智能模式下控制掘進深度。

3）安裝在皮帶機上的傳感器有垂直、水平兩種檢測，通過和工控機進行通信，達到皮帶機工作角度的控制與監視。

4）安裝在皮帶機上的測重單元，通過和工控機進行通信，實時對皮帶機傳送的煤炭進行流量、重量的檢測。

5）采煤機啟動程序。當按下自動模式后，設備將按程序逐級對設備各部分進行啟動，啟動程序為：液壓泵進行啟動→切割臂進行上升→到達上點→切割進行啟動→皮帶機進行啟動→刮板機進行啟動→裝卸機進行啟動→切割臂進行下降→設定采煤工作高度值→循環采煤流程。

6）循環采煤流程。當設備全部啟動完成后，設備將進入循環采煤流程：設定采煤工作高度值→設定切割臂臥底值→切割臂上升→上升至設定的高度值→采煤機向前移動→到達切割設定深度值[3]。

1.2.5 監控智能控制板

安裝于采煤機上的各種傳感器主要是對采煤機作業姿態、掘進環境、機械聯動部位、電氣控制設備進行檢測，從而為智能采煤機控制提供必要的參數值。系統CAN 總線將各數據傳輸到工控機，這樣能夠便于工控機對當前采煤機位置、姿態、參數進行實時監測。采煤機工控機主要包含的重要參數為：輸入模擬信號、開關信號、脈沖信號、備用繼電信號、通信總線與系統智能化的通信。根據控制對象不同分為：工作狀態監控板、系統液壓監控板、傳動機械控制板、系統電氣控制板等。

液壓系統控制板由溫度、壓力、油位等傳感器組成。壓力測量傳感器主要是測量進油口、出油口的壓力，當測量進油口、出油口的壓力值過大時，說明液壓油路出現堵塞的現象，當測量進油口、出油口的壓力值過小時，說明液壓油路出現泄露的現象。測量溫度的傳感器安裝于進油口以及出油口的位置，測量壓力的傳感器安裝于液壓缸內腔位置。

監控機械系統的傳動包括測量傳動箱各部位軸承的溫度變化傳感器和測量瓦斯濃度的傳感器。測量軸承變化溫度的傳感器安裝于牽引左右兩側各一個，其型號是WS9050，它的測量量程需根據工作現場加以確定，傳感器電源為DC 24 V。測量瓦斯濃度傳感器主要安裝于機箱里，使用兩路進行供電，其電壓是18 V，電流是351 mA。共有接口兩個，其中一個接口連總線，另一個接口連接備用接口。

采煤機能夠完成智能自動控制功能，其主要應用了控制板、控制運行器來對設備送電與斷電發出指令，采煤機的切割深度、高度和牽引電機方向都會對采煤機啟動產生影響。相關采煤機各控制模塊通過邏輯運算，在工作中控制左右臂的升降，控制手柄模塊的作用是將操作人員指令進行收集整理成控制指令，通過CAN 總線傳送于采煤機控制運行面板，最終實現采煤機控制工作目的。控制中央模塊使用智能運算，利用布置于設備各處的傳感器，對設備整個運行狀態進行監控，另外，能夠使用采煤機切割記憶算法和識別煤巖算法達到智能化采煤機自動控制[4]。

采煤機調整姿態是根據控制器通信接受傳感器各參數的，控制器能夠進行手動操作，同時也能夠進行遠程操作，傳輸數據及時準確，其數據能夠為故障診斷排除提供依據。使用總線與設備各監控板進行信息聯通，從而使采煤機工作狀態能夠得到實時監控，同時監測數據參數會同步儲存，這樣方便于今后調取。

2 系統的識別智能功能

識別煤巖理論是進行智能識別煤巖的重要基礎，其主要的傳感器是檢測安裝于滾筒的液壓油壓力、電機運行電流，采煤機在工作過程中，切割煤炭和切割巖層時，傳感器檢測到的滾筒液壓油壓力、電機運行電流將會不同，利用數據檢測來判斷采煤機所切割的是煤層或者巖層。當采煤機切割巖層時，由于巖層密度與煤層的不同，傳感器檢測到的滾筒液壓油壓力、電機運行電流將會和正常煤層開采的數值不同，根據其各自不同的檢測參數達到識別煤巖智能化[5]。

采煤機工作時，采煤機運行速度、液壓油壓力、牽引電機的電流、滾筒的旋轉速度都相對穩定，采煤機沿頂板向下依次切割煤層時，滾筒液壓油缸會對滾筒施加一定壓力，主要是防止在切割到巖層時，滾筒會沿煤頂板工作。

智能系統監控檢測到正在運行的采煤機變化參數時，將自動調整切割機作業高度。當巖層頂板角度高于切割機所設定的標準傾角時，采煤機監控就會預警，提示必須降低滾筒轉速和采煤機行駛速度，這樣可以保證采煤機正常連續運行。使用智能運算可以使采煤機達到智能自動控制，最終提高回采效率的目的。

3 結語

在煤炭礦井地質結構復雜，煤層厚度不均的環境下，智能采煤機使煤炭生產效率得到大幅度提高。在煤巖智能識別上，識別率高達80%，所以，智能采煤機在煤礦開采作業中應用前景更加廣泛。