高瓦斯煤礦綜采工作面采煤機速度動態(tài)控制系統(tǒng)研究

布朋生

(中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

采煤機是建設(shè)智能煤礦，打造智慧礦山，推動礦井向安全高效智能化開采、清潔高效集約化轉(zhuǎn)型的重要設(shè)備之一。采煤機驅(qū)動方式由液壓驅(qū)動向電驅(qū)轉(zhuǎn)變。電驅(qū)又分為直流電驅(qū)和交流電驅(qū)。采煤機常用的為交流電驅(qū)模式，克服了直流電驅(qū)體積大、結(jié)構(gòu)復雜、可靠性差的缺點，并可增大交流電動機的功率，推動采煤機向大功率、高可靠性方向發(fā)展[1]。電驅(qū)采煤機的調(diào)速性能，成為保證采煤機安全、集約化生產(chǎn)的關(guān)鍵影響因素之一。變頻調(diào)速是電驅(qū)采煤機常用并且有效的調(diào)速方案，可使用電壓/頻率轉(zhuǎn)換(voltage to frequency,V/F)控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等多種變頻控制技術(shù)[2-6]，并綜合應(yīng)用模糊控制技術(shù)優(yōu)化被控制交流電動機的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速[7-10]。針對工作于高瓦斯綜采工作面的采煤機，結(jié)合實際工況，在該采煤機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，考慮頂板壓力、瓦斯?jié)舛葍蓚€參數(shù)，優(yōu)化采煤機變頻調(diào)速控制方案。

1 系統(tǒng)設(shè)計

高瓦斯煤礦綜采工作面的采煤機速度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 采煤機速度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)由采煤機、液壓支架控制器以及附屬的壓力傳感器和瓦斯斷電儀、信號采集器以及順槽監(jiān)控平臺組成。壓力傳感器用于檢測綜采工作面頂板壓力。瓦斯斷電儀用于檢測工作面的瓦斯?jié)舛取Ｐ盘柌杉魑挥诰C采工作面端頭，用于采集各液壓支架控制器傳送的壓力以及瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)。液壓支架控制器采集到壓力值、瓦斯?jié)舛群螅?jīng)信號采集器傳送給順槽監(jiān)控平臺。順槽監(jiān)控平臺獲取壓力值、瓦斯?jié)舛戎岛螅捎密浖V波方法得出用于控制采煤機速度的平均值，并根據(jù)采煤機速度動態(tài)控制方案，對采煤機截割速度進行控制。

2 方案實現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)采集

每臺液壓支架安裝有支架控制器、壓力傳感器以及瓦斯斷電儀。支架控制器用于對該臺液壓支架的動作控制、模擬量數(shù)據(jù)的采集以及與外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送。以BECKHOFF控制器為例，對模擬量壓力傳感器數(shù)據(jù)采集進行說明，并定義壓力傳感器輸出為4～20 mA DC電流信號，測量范圍為0～60 MPa。為獲取模擬量數(shù)據(jù)，需增加模擬量數(shù)據(jù)采集模塊，如EL3151(接收輸入信號為4～20 mA電流信號)擴展模塊為模擬量輸入模塊。EL3151與壓力傳感器進行電氣連接后，即可采集壓力傳感器的電流輸出信號。EL3151采集后并發(fā)送給BECKHOFF主控制器(對應(yīng)數(shù)字量0～32 767)。根據(jù)該壓力傳感器的特性曲線，計算出實時壓力值。

2.2 軟件濾波

圖2 模擬量軟件濾波流程圖

2.3 采煤機速度動態(tài)控制

根據(jù)液壓支架控制器獲取的頂板壓力、瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，對采煤機截割電動機速度進行動態(tài)調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)的基本規(guī)則如下：①當采集的頂板壓力值大于等于設(shè)定上限時，表明此時頂板壓力過高，煤層中瓦斯含量較多，需降低采煤機截割電動機的截割速度；②當采集的頂板壓力值小于等于設(shè)定下限時，表明此時頂板壓力值較低，煤層中瓦斯含量較少，可提高采煤機截割電動機的截割速度；③當采集到的頂板壓力值處于[DYmin,DYmax]時，可保持采煤機截割電動機的截割速度不變；④當采集到的瓦斯?jié)舛戎荡笥诘扔谠O(shè)定上限時，表明此時工作面瓦斯?jié)舛瘸瑯耍杞档筒擅簷C截割電動機的截割速度或?qū)崿F(xiàn)采煤機閉鎖控制；⑤當采集到的瓦斯?jié)舛戎敌∮诘扔谠O(shè)定下限時，需提高采煤機截割電動機的截割速度；⑥當采集到的瓦斯?jié)舛戎堤幱赱Gmin,Gmax]時，可保持采煤機截割電動機的截割速度不變。綜合壓力、瓦斯?jié)舛葌鞲衅鲾?shù)據(jù)，截割電動機截割速度控制情況統(tǒng)計值如表1所示。

表1 截割電動機截割速度控制情況統(tǒng)計值

采煤機速度動態(tài)控制軟件流程如圖3所示。對采煤機截割電動機速度進行加速、減速、保持以及閉鎖控制，并通過端頭液壓支架的信號采集器，將獲取綜采工作面實時頂板壓力、工作面瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)傳送到順槽監(jiān)控平臺。

圖3 采煤機速度動態(tài)控制軟件流程圖

3 試驗與應(yīng)用

原采煤機調(diào)速方案基于直接轉(zhuǎn)矩控制方案加速度模糊調(diào)節(jié)裝置，共同完成對采煤機截割部電動機的變頻調(diào)速功能。本文設(shè)計并實現(xiàn)的高瓦斯煤礦綜采工作面采煤機速度動態(tài)控制系統(tǒng)嵌入至原采煤機變頻調(diào)速系統(tǒng)中。優(yōu)化后的截割電動機變頻調(diào)速控制原理如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后的截割電動機變頻調(diào)速控制原理圖

在車間模擬頂板壓力大小以及瓦斯?jié)舛雀叩蛢蓚€控制參數(shù)，觀察采煤機截割電動機轉(zhuǎn)速變化。經(jīng)測試，用戶能夠按照表1所述動態(tài)調(diào)整截割電動機的轉(zhuǎn)速。采用優(yōu)化調(diào)速方案的采煤機在陽煤一礦綜采工作面實際使用。經(jīng)統(tǒng)計，采煤機截割部電動機在遇到頂板壓力大于上限值時，其轉(zhuǎn)速會減小。當轉(zhuǎn)速小于下限值時，其轉(zhuǎn)速會增加；當瓦斯?jié)舛却笥谏舷拗禃r，控制系

統(tǒng)完成對采煤機的閉鎖控制。實際使用的統(tǒng)計數(shù)據(jù)符合預(yù)期設(shè)計目標。

4 結(jié)論

以采煤機為研究對象，綜合考慮其工作的高瓦斯特殊環(huán)境，對采煤機截割部電動機進行調(diào)速控制時，將頂板壓力、瓦斯?jié)舛茸鳛橹匾{(diào)速參數(shù)，優(yōu)化原采煤機的變頻調(diào)速控制方案。按照表1所述，模擬現(xiàn)場使用環(huán)境，完成出廠試驗。在實際使用過程中，采煤機能夠遵循速度動態(tài)控制方案進行加速、減速、保持以及閉鎖動作，從而較好地適應(yīng)高瓦斯綜采工作面，實現(xiàn)安全、高效率生產(chǎn)的目的。