煤礦綜采工作面采煤機截割系統方案設計與應用

曹建東

（山西鄉寧焦煤集團元甲煤業有限公司， 山西 臨汾 042100）

引言

煤礦井下綜采工作面采煤機控制系統的智能化是實現綜采工作面無人化、少人化的關鍵因素。采煤機運行過程時的煤巖狀態、采煤路線以及液壓支架/刮板輸送機的協同狀態使得截割頭運行軌跡不斷變化設置，造成偏航，嚴重影響了采煤機截割工作效率。目前各科研機構主要采用紅外、超聲波、慣導等技術對采煤機截割軌跡進行循跡和定位[1-3]，但存在實現難度大、累積誤差大、價格高昂等問題。文章基于控制器以及伺服控制技術，建立并實現了采煤機截割系統方案，提高了采煤機截割頭控制精度，提升運行了效率。

1 總體方案

根據煤礦綜采工作面采煤機截割工藝流程，設計采煤機截割控制系統總體方案，如圖1 所示。控制系統核心為PLC 控制器，分為HMI 模塊、I/O 模塊、供電電源模塊、溫度控制模塊、X 軸/Y 軸/Z 軸伺服控制模塊以及液壓控制模塊。根據控制系統總體設計方案，擴展PLC 控制器的模擬量、數字量輸入輸出模塊共同構成PLC 控制系統。HMI 模塊主要用于顯示采煤機截割系統運行狀態參數以及故障信息；I/O 模塊為電截割系統的數字量輸入、數字量輸出、模擬量輸入以及模擬量輸出信號，如急停、復位、電動機啟動、電動機停止、溫度傳感器數據、液位傳感器數據、壓力傳感器數據等。供電電源模塊為PLC 系統供電，電壓等級為DC24 V。溫度控制模塊用于采煤機截割系統工作時的電機溫度，避免出現溫度過高、溫度過低造成短路等安全事故。液壓控制模塊用于控制采煤機截割系統工作時油泵系統液壓液位低于設定液位最低值時，需由PLC 控制系統控制補液泵開啟完成補液過程，補液過程結束后關閉補液泵[4]。X 軸、Y 軸、Z 軸伺服控制模塊用于控制截割頭在X、Y、Z 方向上的移動速度和規律控制。

圖1 綜采工作面采煤機截割系統總體設計方案框圖

2 硬件設計

煤礦綜采工作面采煤機截割控制系統硬件設計框圖見圖2 所示，根據工藝以及總體設計要求，擴展數字量輸入模塊，涉及到的輸入點如X/Y/Z 軸伺服電動機準備好、X/Y/Z 軸正負極限值等[5-6]；擴展數字量輸出模塊，涉及到的輸出點如急停、復位、點進、啟動、停止等；擴展模擬量輸入模塊，涉及到的輸入點如溫度傳感器信號、液位傳感器信號等；擴展CAN 總線通信模塊，完成PLC 控制系統與HMI 以及X/Y/Z 軸伺服電動機驅動器的通信。在該弱電系統中，還包括電源轉換模塊，如AC220 V 轉DC24 V、AC220 V 轉DC12 V。

圖2 煤礦綜采工作面采煤機截割控制系統硬件設計框圖

PLC 控制器選用的是BeckHoff CX8050 可擴展EL1008 數字量輸入模塊，一個模塊有8 路輸入點，擴展4 個EL1008 模塊，地址分別為I0.0- I0.7、I1.0- I1.7 以及I2.0- I2.7 以及I3.0- I3.7，詳細地址分配如表1 所示。表1 中的“常開”是指該輸入點為常開節點，即在初始狀態時，該節點為斷開，該節點動作后，實際觸點閉合。“常閉”是指該輸入點為常閉節點，即在初始狀態時，該節點閉合，該節點動作后，實際觸點斷開。如急停類節點為常閉節點，保護類節點（漏電閉鎖、過熱保護等）為常閉節點，其余的節點為常開節點。

表1 數字量輸入點地址配置

3 軟件設計

煤礦綜采工作面采煤機截割控制系統軟件總體設計框圖見圖3 所示，一共分為4 個程序部分，即上位機監控平臺程序、CAN 通信程序、邏輯控制程序以及操作模式程序。上位機監控平臺程序主要完成PLC控制系統與HMI 之間的數據傳送以及顯示，將采煤機截割系統運行過程中的狀態信息、參數信息、故障信息在HMI 平臺進行實時顯示。CAN 通信程序主要完成PLC 控制器與X 軸、Y 軸以及Z 軸伺服電動機驅動器之間的指令、數據傳送，由PLC 控制器以CAN總線通信模式完成對X 軸、Y 軸以及Z 軸伺服電動機的直接控制[7]。邏輯控制程序用于完成對采煤機截割頭過程的邏輯控制，如電動機啟動、點進、點退、橫向位移、縱向位移以及故障報警等邏輯功能；操作模式程序主要完成對采煤機截割頭的手動控制、自動控制、循跡運行等操作模式的控制和切換。

圖3 煤礦綜采工作面采煤機截割控制系統軟件設計

煤礦綜采工作面采煤機截割控制系統軟件模塊劃分劃分為初始化模塊、邏輯控制模塊、通信模塊、模擬量處理模塊、保護模塊、報警模塊以及HMI 模塊8個部分。初始化模塊用于完成對軟件程序中用到的內存、定時器、計數器、數組等進行賦0 或者賦定值操作。邏輯控制模塊主要完成對工件加工時的順序控制、數字輸入量延時控制、傳感器數值判斷控制等。CAN 同通信模塊主要完成PLC 控制器與HMI 監控平臺、X/Y/Z 軸伺服驅動器的CAN 通信連接的建立、維護、修改以及數據/指令傳輸。模擬量處理模塊主要完成對溫度傳感器、液位傳感器數據的周期性采集、濾波以及數據正確性判斷，保證采集到的模擬量數據的有效性和正確性。保護模塊主要完成對控制系統的保護功能，如過壓、過熱、漏電等，當發生上述情況時，需及時通知PLC 控制器并采用的相應的措施，如停機等操作。操作模式控制模塊主要完成對手動控制、自動控制、自動循跡等控制模式的切換和實施。報警模塊主要完成系統報警和故障顯示功能并在HMI監控平臺上進行實時顯示。HMI 模塊主要完成采煤機截割頭運行狀態、參數設置、故障信息、位置信息等數據的顯示，以CAN 總線通信模式獲取PLC 控制器傳送的數據。

在PLC 控制器與人機界面eMT3070B 進行CAN通信時，需要將數據與人機界面上的位點地址進行一一對應。PLC 主站控制器與監控平臺之間以CAN 通信方式實現數據和控制指令的傳遞。采用CAN2.0B協議，設置波特率為250 kbit/s，幀格式為標準幀格式，HMI 監控平臺的節點號為2。PLC 主站控制器與監控平臺的CAN 通信協議格式定義見表2。

表2 PLC 控制器與HMI 監控平臺CAN 通信協議格式定義

4 應用效果

為驗證設計并實現的煤礦綜采工作面采煤機截割系統方案的正確性和適用性，以低矮型MG110/265-BDW 電驅型采煤機為試驗對象，從2021年3—9 月進行工業試驗。試驗中發現，應用該截割系統控制方案后，采煤機截割頭運行軌跡能按照設計軌跡行進，X 軸方向系統誤差保持在2%以下，Y 軸方向系統誤差保持在2.3%以下，Z 軸方向系統誤差保持在2.2%以下，截割頭實時定位誤差保持在2.7%以下，大大提高了采煤機截割頭控制精度，提升了采煤機運行效率。

5 結論

1）設計以BeckHoff CX8050 控制器為核心的采煤機截割系統總體、硬件、軟件設計方案，并可完成截割頭軌跡的手動、自動以及循跡三種控制模式。

2）建立采煤機截割系統監控平臺，以CAN 總線通信方式實現PLC控制器與HIM監控平臺數據的實時交互，增強了采煤機截割控制系統的可視性和友好性。

3）采煤機截割控制系統的發展方向為智能化、信息化以及網絡化。