礦井掘進機截割控制系統(tǒng)研究

邊婧

【摘 要】 本文針對掘進機傳統(tǒng)工控方式存在適應(yīng)性差、容易造成電機過載等問題，提出一種基于智能控制、變頻控制技術(shù)的掘進機截割控制系統(tǒng)，并詳細(xì)對該系統(tǒng)的硬件、軟件結(jié)構(gòu)，截割控制方式等進行闡述，并進行現(xiàn)場應(yīng)用。取得主要成果為：1）采用具有轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制功能的變頻器可避免截割電機出現(xiàn)過載問題，并根據(jù)主控制器指令自動換擋;2）巖層性質(zhì)不同截割電機載荷存在差異，通過監(jiān)測截割電機電流、鉆速、轉(zhuǎn)矩即可實現(xiàn)對截割電機載荷判定，從而為控制系統(tǒng)自動換擋提供基礎(chǔ)參數(shù);3）巖層硬度大、截割電機載荷增加顯著時掘進機由高擋位自動降至中、低擋位，巖層硬度小、截割電機載荷降低明顯時掘進機由中、低擋位自動升至高擋位，實現(xiàn)掘進機破巖及掘進進尺平衡。現(xiàn)場應(yīng)用表明，提出的控制系統(tǒng)實用性、可靠性較強，可以根據(jù)掘進巷道煤、巖性質(zhì)自動換擋，可在一定程度上提高掘進機生產(chǎn)效率。

【關(guān)鍵詞】 綜掘機;變頻器;截割電機;自動換擋;控制系統(tǒng)

【中圖分類號】 TD421 【文獻標(biāo)識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2020）05-0009-03

隨著礦井機械化程度提升，綜掘機在煤巖巷道掘進中應(yīng)用逐漸廣泛。但現(xiàn)階段礦井使用的綜掘機多為工頻控制方式，當(dāng)煤巖地質(zhì)條件發(fā)生改變時只能通過人工操作方式控制搖臂搖擺速度、切換雙速電機擋位來適應(yīng)截割頭載荷變化，這種操作方式存在適應(yīng)力差且容易造成截割電機過載，降低設(shè)備使用壽命的缺點。因此，文中基于智能控制、變頻控制技術(shù)提出一種綜掘機截割控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可依據(jù)截割電機載荷變化情況來智能調(diào)整截割頭轉(zhuǎn)速，從而根據(jù)煤、巖硬度差異智能截割，更好地適應(yīng)井下輔助地質(zhì)環(huán)境。

1控制策略

相對于傳統(tǒng)的綜掘機工頻控制方式，文中提出的智能截割控制系統(tǒng)從掘進機截割電機、變頻器以及主控制器角度出發(fā)進行控制。

1.1截割電機

掘進機截割電機采用大型變頻電機，電機輸出功率200kW，額定電壓1140V。具體采用的截割電機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩曲線見圖1。

1.2變頻器

變頻器具備轉(zhuǎn)矩包絡(luò)線控制功能，使得變頻器最大轉(zhuǎn)矩與截割電機當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特征曲線上的轉(zhuǎn)矩值對應(yīng)。在轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制時增加轉(zhuǎn)矩限幅，從而確保輸送的轉(zhuǎn)矩截割電動機轉(zhuǎn)矩包絡(luò)線之內(nèi)。具體增加轉(zhuǎn)矩包絡(luò)線控制功能的變頻器控制流程見圖2。

根據(jù)變頻器輸出頻率電流頻率差異，可分為低速、中速以及高速三個擋位，其中中、低速擋位適用于巖、半煤巖巷道，高速擋位適用于全煤或者軟巖巷道。

1.3主控制器

根據(jù)截割電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及電流情況，主控制器對變頻器工作擋位進行調(diào)整，從而實現(xiàn)破巖能力、掘進效率間的平衡。主控制器切換相對于工頻而言屬于“軟”切換，可以實現(xiàn)平緩的速度切換。

當(dāng)掘進位置地質(zhì)條件發(fā)生變化，煤巖硬度增加時（截割電機載荷明顯增加），控制系統(tǒng)可實現(xiàn)由高擋向中、低擋自動切換，以應(yīng)對巖性變化導(dǎo)致的載荷增加問題;當(dāng)煤巖硬度降低時（截割電機載荷快速降低），控制系統(tǒng)可實現(xiàn)由中、低擋向高擋自動切換，從而增加掘進效率。正是由于掘機機采用的變頻器具備自適應(yīng)煤巖變化特性，從而可保證掘進機具有較強的破巖能力以及掘進效率，實現(xiàn)掘進機智能截割控制。

2控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)上位機為顯示屏，下位機以PLC控制器為控制核心。上位機（顯示屏）與下位機中的變頻器、主控制器、控制按鈕等采用CAN總線連接方式;現(xiàn)場執(zhí)行設(shè)備直接與截割變頻器連接，從而形成掘進機控制系統(tǒng)。主控制器與截割變頻器間采用CAN總線通訊，可實時讀寫截割變頻器運行參數(shù);截割變頻器監(jiān)控截割電機運行;截割變頻器、截割電機運行狀態(tài)參數(shù)均在顯示屏上顯示。具體的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框架圖見圖3。

顯示屏為5.7英寸液晶顯示屏，型號為EPEC2023，具備信息交互的CAN2.0接口;控制按鈕布置于防爆箱內(nèi)，具有CAN2.0接口，可實現(xiàn)截割電機啟、停，低、中、高速擋位自動/手動切換功能。變頻器采用德國進口設(shè)備，并配備CAN2.0接口;截割電機為掘進機專用電機。

2.2掘進機截割控制方法

掘進機變頻器低、中、高三個擋位分別對應(yīng)3個給定速度。當(dāng)給定速度不變時，截割電機載荷增加輸出扭矩隨之增加，從而確保轉(zhuǎn)速穩(wěn)定;同樣當(dāng)載荷下降時轉(zhuǎn)矩降低。變頻器正常默認(rèn)高擋位，主控制器通過CAN總線與變頻器通信，監(jiān)測截割電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及電流，當(dāng)轉(zhuǎn)速達到設(shè)定下限值，電流、轉(zhuǎn)矩達到設(shè)定值時，主控制器啟動降擋程序，從而增加截割電機輸出扭矩值提高截割頭破巖能力;當(dāng)轉(zhuǎn)矩、電流均小于設(shè)定值，轉(zhuǎn)速與處于當(dāng)前擋位時，主控制器啟動增擋程序，從而提升掘進機破巖效率，提高掘進速度。具體控制系統(tǒng)自動換擋控制邏輯見圖4。

2.3截割控制系統(tǒng)軟件

為了實現(xiàn)掘進機截割智能化控制，首先需對CAN總線參數(shù)進行初始化處理（包括CAN總線波特率、報文ID號等），隨后讀寫智能換擋模塊、CAN總線報文子模塊數(shù)據(jù)。系統(tǒng)軟件控制程序包括有CAN總線初始化模塊、數(shù)據(jù)接收模、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、智能換擋模塊等。

CAN總線初始模塊主要對CAN總線波特率、報文ID號、CAN數(shù)據(jù)幀等初始化處理;CAN數(shù)據(jù)接收模塊從變頻器實時獲取電流、電壓、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、扭矩以及故障數(shù)據(jù);CAN數(shù)據(jù)發(fā)送模塊是將控制指令（包括啟、停指令，換擋指令等）發(fā)送給變頻器;智能換擋模塊由低換高擋模塊、高換低擋模塊兩部分組成，通過從變頻器獲取到的電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)與換擋閾值比對，滿足換擋條件時自動完成換擋操作。

3截割控制系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用分析

文中提出的截割控制系統(tǒng)在山西某礦采用的EBZ200懸臂式掘進機中應(yīng)用，該掘進機正掘進1506采面回風(fēng)巷，巷道為矩形煤巷，面積為20m3，煤層硬度f值介于0.7～1.3，根據(jù)前期地質(zhì)資料，巷道掘進過程中會有一段為半煤巖巷道，預(yù)計長度為150m。

控制系統(tǒng)采用的變頻器具備轉(zhuǎn)矩包絡(luò)線功能，并根據(jù)1506回風(fēng)巷應(yīng)用結(jié)果不斷對換擋參數(shù)進行調(diào)整，經(jīng)過3個月調(diào)試，實現(xiàn)綜掘機在均勻給定條件下的自動換擋操作。具體2019年4月11日期間從截割變頻器獲取到的自動換擋數(shù)據(jù)見圖5、圖6。

從圖5看出，當(dāng)截割電機載荷增加時，變頻器在自動換擋前截割電機轉(zhuǎn)速呈降低趨勢，同時滿足轉(zhuǎn)矩達、電流分別增加至1390N·m、125A，轉(zhuǎn)速降低至1400r/min，變頻器自動將從高擋降低至中擋，在降擋過程中轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩以及電流變化曲線均較為平滑。

從圖6看出，當(dāng)截割電機載荷降低時，截割電機轉(zhuǎn)矩、電流分別降低至1700N·m、115A，轉(zhuǎn)速為1280r/min時，變頻器開始自動升擋，由于受到載荷較小升擋過程中轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩以及電流變化曲線較為平滑。

在巷道內(nèi)進行掘進截割控制系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用表明，提出控制系統(tǒng)可實現(xiàn)掘進機截割煤巖條件智能變化擋位，且擋位變換過程中轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩以及電流變化曲線較為平滑，可以滿足井下掘進需要。

4總結(jié)

通過分析掘進機原有的工控方式存在的問題，提出了一種截割智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要為具有轉(zhuǎn)矩包絡(luò)線功能的變頻器、主控制器、智能換擋模塊，通過監(jiān)測截割電機載荷變化情況實現(xiàn)自動換擋。

對截割控制系統(tǒng)控制策略、結(jié)構(gòu)組成、換擋控制方法及控制系統(tǒng)運行流程進行詳細(xì)闡述，并在EBZ200懸臂式掘進機進行布置、應(yīng)用。根據(jù)礦井全煤、半煤巖巷道掘進巖性，將截割控制系統(tǒng)擋位轉(zhuǎn)速進行確定，低、中、高擋位轉(zhuǎn)速分別為500r/min、1000r/min、1500r/min。

在現(xiàn)場應(yīng)用過程中截割控制系統(tǒng)可根據(jù)截割電機載荷自動進行換擋，全煤巷道時采用高擋位、半煤巖巷道自動切換至中低擋位，實現(xiàn)了根據(jù)巷道巖性特征控制掘進機運行功能，不僅確保了掘進機破巖效率而且保證了掘進進尺，現(xiàn)場應(yīng)用取得顯著效果。

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