采煤機智能控制系統的設計及工業性試驗

荊 晶

（山西省陽煤集團， 山西 陽泉 045000）

引言

據統計表明，我國每年煤炭的生產和消耗量在世界范圍內占據前列。從煤炭的消耗量來看，在日常生活和生產中對煤炭的需求量極大，而且在未來很長一段時間內煤炭依然在我國能源結構中占據主導地位。煤炭的生產效率主要與綜采工作面的采煤工藝和綜采設備的自動化水平相關。采煤機作為工作面的采煤設備，其生產能力直接決定工作面的采煤效率，而其生產能力在一定程度上受制于其控制系統的智能化和自動化程度[1]。因此，提升采煤機的智能化、自動化水平是當前急需解決的問題，是實現工作面“少人化”甚至“無人化”的基礎。本文著重對采煤機的智能控制系統進行設計，并對該控制系統的工業性試驗能力進行驗證。

1 采煤機概述

本文主要以電牽引滾筒采煤機為研究對象，該采煤機的實物結構如圖1 所示。采煤機主要由截割部、傳動部、電氣系統、液壓系統及其他輔助系統組成。

圖1 采煤機結構組成

1）截割部為采煤機截割煤層的部件，其安裝于采煤機兩端，由截割電機控制。截割部由搖臂根據煤層高度控制其截割高度。一般情況下，采煤機左右截割部的旋轉方向是相反的，其上安裝的螺旋葉片的螺旋方向也是相反的。

2）牽引部為控制采煤機前進的部件，其根據實際工況推進采煤機的運行。牽引部動力由其牽引電機提供并通過多級減速齒輪最終將動力傳至行走箱。

3）電氣系統具有為采煤機的截割部和牽引部提供動力，并為截割部、牽引部等提供過載保護、報警的功能。電氣系統中的變頻器為采煤機的核心部件，基于變頻器和相關控制系統能夠根據采煤機截割部的受力情況控制截割部的動力大小，從而實現在保證工作面生產能力的同時達到節能的效果[2]。

4）輔助裝置主要包括有底托架、電纜水管拖移裝置、噴霧裝置等。底托架與刮板輸送機連接，為采煤機提供支撐；噴霧裝置可降低采煤過程中粉塵、煤塵的濃度；電纜水管拖移裝置可避免電纜和水管在拖移過程中出現彎曲和扭鉸的事故。

2 采煤機智能控制系統方案的總體設計

在實際生產過程中，采煤機的主要動作為滾筒的調高和牽引速度的控制。其中，滾筒調高是通過調高油缸內活塞桿的伸縮控制的，牽引速度是通過調節牽引電機的轉速控制的。因此，采煤機的智能控制系統的實現主要是完成滾筒的智能調高和牽引速度的智能控制。

所謂滾筒的智能調高指的是控制系統可根據當前滾筒所截割煤層的煤巖界面對滾筒的截割高度進行智能控制，進而避免滾筒在截割過程中觸碰到頂板、巖層以及底板等。所謂牽引速度的智能控制指的是控制系統根據煤巖界面實現對采煤機橫向往復運動的智能控制；具體控制為：當采煤機截割部遇到巖層時，控制系統會控制采煤機橫向運動往復運動，從而減少滾筒與巖層、頂底板接觸的時間，為滾筒截割高度的調整贏得時間[3]。采煤機智能控制流程如圖2所示。

圖2 采煤機智能控制系統流程

如圖2 所示，采煤機在正常運行狀態下，控制系統的傳感器可對采煤機的運行狀態采集。若監測到采煤機運行狀態出現異常，采煤機進入智能控制狀態，實現對采煤機滾筒和牽引速度的智能控制，保證采煤機對采煤機滾筒和牽引速度協調控制，從而確保采煤機安全、高效、穩定的運行。

3 采煤機智能控制系統結構的設計

為保障采煤機在高粉塵、強振動以及易燃易爆環境能夠安全、高效運行，將其智能控制系統分為機載監測系統、順槽監測系統以及地面監測系統。通過上述三個監測系統實現對采煤機運行狀態的全面、有效的監測，且上述三個監測系統還具備相互通信、信息共享的功能。其中，機載監控系統與順槽監控系統通過無線以太網進行通信，地面監控系統與順槽監控系統通過有線以太網通信[4]。機載監測為智能控制系統的主要監測手段，本文著重對機載監測系統的控制器及傳感器進行選型。

采煤機機載監控系統的功能為基于各類傳感器對采煤機運行姿態和狀態進行監測，并結合所采集到的信息和當前實際工況得出相應的控制指令，通過所得控制指令對采煤機滾筒截割高度和牽引速度進行智能控制。

PLC 作為采煤機機載智能控制系統的核心，其主要是對傳感器采集到的參數進行處理。根據采煤機智能控制需求，考慮到PLC 控制器的擴展功能和穩定性，選擇PLC 為西門子公司的S7-300PLC。根據采煤機的智能控制需求，為機載監控系統配置傳感器的類型及監測對象如表1 所示。

4 采煤機智能控制系統的工業性試驗

為驗證采煤機智能控制系統對截割路徑跟蹤的精確性和穩定性，并確保采煤機在其運行狀態出現異常時能夠完成對采煤機滾筒和牽引速度的智能調整控制[5]。本文搭建如圖3 所示的智能控制策略的試驗系統。

表1 機載監控系統傳感器

圖3 采煤機智能控制策略的實驗系統

1）截割路徑的跟蹤效果。經工業性試驗可知，當采煤機在煤巖分界面工作時，滾筒路徑跟蹤的最大誤差為1.15°。根據采煤機的尺寸參數，其滾筒的最大跟蹤誤差僅為0.045 m。

2）采煤智能控制效果。采煤機智能控制效果的工業性試驗結果如圖4 所示。

圖4 采煤機智能控制工業性試驗結果

圖4 中，當采煤機運行到1 m 的位置處時遇到煤巖的分界面，此時搖臂傾角增大，對應滾筒的截割高度也在增大，此時存在觸碰頂板、巖層的危險。當采煤機急需運行到1.53 m 后監測到設備運行異常，并迅速控制采煤機牽引速度下降，避免其與新的巖層和頂板接觸；與此同時右搖臂傾角降低，避免其繼續與頂板或者巖層接觸，從而減少滾筒磨損，進而確保采煤機的安全生產。

5 結語

采煤機作為綜采工作面的關鍵設備，其自動化、智能化水平直接決定了采煤機的生產能力。在實際生產中，難免會遇到采煤機滾筒與頂板、頂板以及巖層相接觸情況。鑒于上述問題，實現對采煤機滾筒截割高度的智能控制和牽引速度的智能控制可確保設備避免在煤巖分界面與頂板、巖層和底板相接觸，進而保證了采煤機的安全生產，為提升工作面的高效生產奠定了基礎。