基于PLC的采煤機智能控制系統設計

劉曉鵬

（山西新景礦煤業有限責任公司，山西 陽泉045000）

引言

煤礦綜采工作面采煤機是“三機”核心設備之一，采煤機的運行效率直接關系到綜采工作面的生產效率。因此，研究采煤機智能控制系統成為亟需解決的問題，文獻[1-2]研究并分析了節能導向的煤礦機電設備協同控制技術，通過分析煤礦智能控制關鍵技術，如傳感器感知技術、網絡傳輸技術、實時定位技術及數據處理技術，結合煤礦綜采工作面機電設備實際生產特點和耗能數據，提出基于節能導向的綜采機電設備協同任務調度算法，并基于物聯網技術對其節能效果進行云數據分析，結果表明，所提出的方案切實可行。文獻[3]研究了采煤機與刮板輸送機協同運行關系，建立協同位、姿監測方法，重點分析了基于采煤機運行軌跡的刮板輸送機豎直面形態監測及水平面形態監測方法，同時完成復雜工況下采煤機與刮板輸送機協同監測試驗，所設計方法預測誤差率低、響應速度快、預測時間短，可滿足實際工況應用需要。文獻[4]為實現井下綜采工作面無人化、少人化目的，研究井下“三機”設備的系統運行規律，利用慣性導航理論和無線傳感網絡理論，構建INS/UWB協同定位模型，實現“三機”設備的協同調度優化及沖突消解，并完成Matlab仿真。文獻[5]為解決綜采工作面設備自動化程度較低、協同控制性能較差的問題，提出綜采工作面設備協同推進控制方法，并以Ethernet/IP通信協議作為數據傳輸平臺，經工業試驗，驗證該方法能夠保證綜采工作面設備的有序工作、協同推進，同時減少井下工作面人員的數量。本文以綜采工作面采煤機為研究對象，建立以PLC主從控制器、主從變頻器及CAN總線通信為核心的采煤機智能控制系統。

1 采煤機概述

1.1 采煤機結構

按照驅動模式，采煤機分為液壓型驅動采煤機和電驅型采煤機兩種，目前煤礦井下綜采工作面較常用的為電驅型采煤機。電驅型采煤機由行走子系統、調高子系統、截割子系統、牽引子系統及其他輔助機構構成。行走子系統控制采煤機在水平方向沿刮板輸送機運行，由行走箱體、驅動輪及導向滑靴等組成，共同協調完成采煤機的行走功能；調高子系統控制采煤機在煤壁垂直方向調節前/后滾筒的高度，對煤壁進行截割，由電氣控制單元、液壓控制單元、電磁閥、滾筒等組成，共同協調完成采煤機的調高功能；截割子系統控制采煤機對煤壁的截割，由左右截割電機、左右截割滾筒、左右搖臂及截割齒等組成，截割電機通過減速器將負載轉矩傳送至截割滾筒，帶動截割齒作旋轉運動，進而將煤塊采出。為保障截割電機連續運行，在截割子系統中還安裝水冷系統，對截割電機進行降溫處理[6-7]。同時，該截割系統還可對截割頭進行噴水操作，以降低煤塵污染率。牽引子系統完成對采煤機水平方向沿刮板輸送機的水平運動，為行走子系統提供電驅動力，由牽引電機、減速器、變頻器組成。牽引子系統的電氣控制器控制變頻器按照轉矩/轉速模式驅動牽引電機運行，并經減速裝置后將轉矩傳送至齒軌輪，驅動采煤機前進/后退。

1.2 采煤機功能

采煤機的功能主要有以下三個：一為以刮板輸送機為運行軌道，完成往復運動；二為沿綜采工作面豎直方向進行滾筒的調高；三為截割系統驅動截割齒進行螺旋運動。

1.3 采煤機模型

為實現采煤機與液壓支架、刮板輸送機的協同控制，需利用傳感器技術對采煤機各系統的運行狀態、故障信息及參數設置等數據進行獲取并實時監測，為判斷采煤機的當前運行狀態、下一時刻運行狀態及運行趨勢提供依據。為保證牽引電動機、截割電動機的正常運行，需安裝電流、溫度傳感器，從而對其電動機的電流和溫度進行實時監測。搖臂傾角傳感器用于測量采煤機前后滾筒搖臂的傾角，使其能夠更好地調整截割滾筒的位置。為能夠準確定位采煤機的位置，安裝的紅外傳感器和位移傳感器監測采煤機的相對位置與決定位置，經協同控制器綜合判斷后，準確定位采煤機的實時位置。另外，采煤機機身還安裝有速度傳感器，用于監測采煤機的牽引速度；安裝機身傾角傳感器用于測量采煤機機身的偏移。

2 系統設計及實現

2.1 系統設計

采煤機智能控制系統結構框圖如圖1 所示，控制核心為PLC 主、從控制器，用于處理采煤機傳感器數據、變頻調速數據及上位機、聲光報警、鍵盤輸入信號等。電驅型采煤機機身安裝左右牽引電機、破碎電機及截割電機，為實現采煤機智能控制，需實時采集電機的電流、軸溫度、油溫、油位等信息，PLC 主控制器周期性地采集電流互感器、溫度傳感器、油溫傳感器、油位傳感器及瓦斯濃度傳感器數據。PLC 主控制器還需處理采煤機的變頻調速單元，由主、從變頻器組成，分別控制采煤機的左右牽引電機，實現“一對一”變頻驅動[8]。PLC 從控制器需處理安裝在采煤機機身的液晶顯示屏、聲光報警裝置及鍵盤輸入模塊，實現采煤機運行狀態、設置參數、故障報警信息的實時監控。鍵盤輸入模塊可實現采煤機手動控制和應急控制。采煤機智能控制系統還配置智能遠程監控中心，可實現采煤機的遠程監視和控制。采煤機智能控制系統內、外部通信都采用CAN 總線通信模式，以達到靈活、實時、高質量的通信目的。

圖1 采煤機智能控制系統設計結構

2.2 系統實現

采煤機智能控制系統實現分為硬件、軟件兩部分，其中硬件部分由PLC 主從控制器、變頻器、各傳感器、CAN 總線通信隔離柵、模擬量隔離柵、DC24V電源模塊等組成。按照各器件的外接接線原理繪制電氣原理圖，并按照該圖進行實際接線。硬件部分設計時需注意的問題如下：

1）電源接線時，需注意DC、AC 及電壓等級。

2）傳感器元件接線時需注意輸出信號是電流信號還是電壓信號及信號輸出范圍。

3）CAN 總線通信隔離柵接線時需考慮終端電阻[9]。

4）PLC 主控制器與主從變頻器接線時，需采用專用CAN 總線通信雙絞屏蔽電纜，保證CAN 總線通信質量，降低變頻器電磁干擾。

采煤機智能控制系統軟件部分設計時，根據實現的功能進行軟件模塊劃分，即系統初始化模塊、數字量輸入信號延時處理模塊、模擬量處理模塊、CAN總線通信處理模塊、邏輯處理模塊、變頻調速模塊、電控系統自動控制與監測模塊、故障報警處理模塊等。圖2 所示為采煤機智能控制系統邏輯處理模塊軟件流程。采煤機智能控制模式分為現場控制、遠程控制，每一種控制模式又分為自動控制、手動控制兩部分。手動控制時，可通過按鈕、鍵盤實現油泵控制、冷卻噴霧控制、截煤破碎及牽引[10]。自動控制時，可調用電控系統自動控制與監測模塊并判斷主從控制器通信正常時，開始采煤機牽引、煤壁截割、油泵及冷卻系統控制。

圖2 采煤機智能控制系統軟件邏輯處理模塊流程

3 應用分析

為驗證設計并實現的采煤機智能控制系統的實用性和正確性，在某煤礦綜采工作面進行工業試驗，試驗周期為6 個月。試驗所用的采煤機型號為MG110/265-BDW 矮型電驅采煤機，該采煤機的突出特點為機身矮、結構緊湊、剛性好、工作效率高，其主要技術參數見表2。

表2 MG110/265-BDW 矮型電驅型采煤機主要技術參數

工業試驗過程中，對該采煤機的運行時間、左右牽引電機電流、破碎電機電流、截割電機電流等關鍵數據進行統計、分析后，發現采用該智能控制系統后，采煤機的運行效率提高約70%，故障率降低51%，可實現采煤機高效、智能、連續采煤。

4 結語

綜采工作面采煤機的智能化、信息化是提升綜采工作面智能化水平的關鍵一環，與液壓支架、刮板輸送機存在復雜的互鎖、聯動關系。本文研究了基于PLC 主、從控制器的采煤機智能控制系統并取得了較好的實際應用效果。在后續的研究中，需重點考慮采煤機與液壓支架、采煤機與刮板輸送機的協同控制關系，進一步提升煤礦綜采工作面的智能化、信息化、少人化水平。