采煤機自動控制系統(tǒng)設計研究

王志敏

（鐵峰煤業(yè)有限公司，山西 朔州 037200）

引言

煤炭作為我國的支柱產業(yè)，安全高效生產對行業(yè)發(fā)展至關重要。近年來，將工作面人員從井下惡劣的生產環(huán)境中解放出來逐漸成為我國煤炭行業(yè)研究的熱門話題，煤炭開采的自動化智能化發(fā)展逐漸成為研究的主要方向。現(xiàn)階段，采煤機作為煤炭井下的重要生產工具，其自動化智能化水平還普遍偏低，大多數企業(yè)仍然以人工割煤為主[1-5]。針對這一現(xiàn)象，本文提出了采煤機自動截割控制的設計研究，通過基于定速控制的參數化自動截割技術，實現(xiàn)采煤機的自動化智能化截割，解放井下人工勞動力，保障企業(yè)的人身財產安全。

1 采煤機基本機構及工作方式

采煤機主要由搖臂、電控箱、牽引系統(tǒng)、機體、行走箱以及泵箱等組成。其中，截割系統(tǒng)主要是由滾筒與搖臂組成，主要作用是截割煤炭，同時將煤炭運輸至輸送機；牽引系統(tǒng)主要由牽引部與行走箱組成，主要作用是牽引采煤機行走，使采煤機可在工作面自由移動；中部框架是由支腿、平滑靴、拉缸以及各類連接部件等組成，中部框架是整個采煤機系統(tǒng)的主要承載部件；電氣部分主要包括電源、電控箱、開關、變壓器以及各類電纜等[6-8]。

采煤機通過兩端進刀以及中部進刀兩種方法工作，大多數企業(yè)以兩端進刀方法為主，采用雙向割煤技術。兩端進刀割煤技術主要由三個基本動作組成，包括設備左右牽引移動、搖臂上下移動定位以及液壓支架推溜。采煤機的工作步驟主要分為以下5 步：第一步，采煤機運行至工作位置，前后滾筒對頂煤以及底煤進行割煤操作；第二步，當煤壁割透后，將采煤機轉向相反的方向，前滾筒上升，后滾筒下降，在大約為設備兩個機身處位置開始液壓支架推動運輸機，使采煤機開始斜切煤壁；第三步，采煤機進入正常工作狀態(tài)；第四步，升降前后滾筒，移動支架與運輸機，設備至平巷行程；第五步，升降前后滾筒，進入快速采煤行程，直至該平巷采煤完成。

2 采煤機自動控制系統(tǒng)硬件設計

2.1 整體設計

采煤機自動控制系統(tǒng)主要可以分為主控系統(tǒng)、IO控制系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、線路系統(tǒng)、變頻器系統(tǒng)、遠程系統(tǒng)以及人機界面系統(tǒng)。其中，PLC 可編程控制器選取歐姆龍40 點PLC 為系統(tǒng)主控制器，線路選取為CAN總線結構。采煤機自動控制系統(tǒng)結構示意圖如下頁圖1 所示。主控系統(tǒng)主要由可編程控制器、動力源以及繼電器等組成，主要作用是控制搖臂上下動作、設備左右移動、系統(tǒng)保護、過電流保護、高溫保護、瓦斯泄露保護、線路保護、傳感器保護以及數據收集；IO 控制系統(tǒng)的主要作用是控制設備部件的斷電與送電，控制部件包括截割電動機、變壓器以及變頻器等，同時，IO 控制系統(tǒng)還包括遙控、按鈕以及開關等信號控制器；監(jiān)測系統(tǒng)主要由各類傳感器組成，是系統(tǒng)信號采集的主要來源，包括溫度傳感器、電流傳感器、油溫傳感器、壓力傳感器以及位置傳感器等，可通過各類傳感器對采煤機信息進行采集與計算分析，從而得出采煤機當前的運行狀態(tài)，監(jiān)測設備是否運行正常；線路系統(tǒng)使用的是CAN 總線結構，CAN 線路為多主模式，可在任意一節(jié)點對其他節(jié)點在任何時刻發(fā)送信息，節(jié)點之間不存在主節(jié)點與從節(jié)點之分，在報文標識符方面，CAN 節(jié)點具有優(yōu)先級區(qū)別，在不同情況可進行不同的操作，級別較高的節(jié)點傳輸可在134 μs 范圍內，CAN 運用的是總線仲裁方式，當總線接收到許多節(jié)點的信息時，總線會對級別較高的節(jié)點信號數據進行傳輸，級別較低的節(jié)點信號會暫時忽略；遠程系統(tǒng)的主要作用是將采煤機井下運行的實時情況傳輸至監(jiān)控中心或者地面系統(tǒng)，以使調度人員可對采煤機實時信息進行掌控，該系統(tǒng)是采煤機自動化智能化技術的關鍵系統(tǒng)；變頻器系統(tǒng)主要包括主變頻器以及從變頻器兩部分，其中主變頻器設置在設備左邊，從變頻器設置在設備右方。變頻器的控制方法采用的是直接轉矩控制法，主、從變頻器轉矩控制一致，系統(tǒng)設有故障報警功能，且當系統(tǒng)提供扭矩有差別后，系統(tǒng)會迅速調節(jié)一致，保證采煤機的科學合理運行。

圖1 采煤機自動控制系統(tǒng)結構示意圖

2.2 基于定速控制的參數化自動截割技術

采煤機自動化智能化控制采用的是基于定速控制的參數化自動截割技術，其本質是對采煤機的割煤采高進行人工學習，通過對正常的割煤過程進行學習記錄，完成設備的智能控制。基于定速控制的參數化自動截割技術主要包括數據采樣、數據處理、路徑參數化以及定速自動截割四個步驟。其中，數據采樣是對人工割煤過程進行相關數據記錄；數據處理主要是通過PLC 可編程控制器進行空間以及地址映射；路徑參數化主要是將處理后的數據進行模型建立，利用模型以及相關數據形成模式化的路徑，實現(xiàn)智能化的控制；定速自動截割主要是對搖臂上升下降以及設備行走速度與方向進行相關設置。相關設置需通過人工示教的方法進行，使操作人員正常割煤，控制系統(tǒng)對割煤過程進行學習記錄。在實際截割過程中若發(fā)生特殊情況，系統(tǒng)還設計了人工干預功能，人工干預的具體流程如圖2 所示。

圖2 自動截割下人工干預流程圖

3 采煤機自動控制系統(tǒng)軟件設計

采煤機自動控制系統(tǒng)軟件，本文選用CX-Programmer 軟件進行設計。CX-Programmer 軟件是歐姆龍PLC 的配套編程軟件，具有三種編程語言模式，同時具備程序模擬功能，可對錯誤程序進行及時糾正，本文采用的編程語言為梯形圖語言。首先，應依據采煤工藝進行參數設置，依據現(xiàn)場實際生產狀況和工藝進行對應核對，隨后即可進行人工示教以及自動記憶截割，同時將人工干預流程編入系統(tǒng)內，完成后即可得到采煤機自動控制系統(tǒng)軟件。

4 系統(tǒng)測試

將上述設計應用于某煤礦進行硬件、軟件調試并進行整機智能化運行測試，系統(tǒng)運行平穩(wěn)可靠，自動截割系統(tǒng)各部件運行正常、方便靈活、無錯誤動作發(fā)生，符合自動控制系統(tǒng)的設計要求。

5 結論

隨著自動化智能化技術的不斷發(fā)展，煤礦井下開采智能化逐漸成為煤炭企業(yè)發(fā)展的主要方向。采煤機作為井下開采的關鍵設備，其自動化智能化發(fā)展至關重要。針對現(xiàn)階段采煤機智能化水平較低的現(xiàn)象，本文提出了采煤機自動截割控制的設計研究。通過分析研究，本文主要得出了以下結論：

1）采用基于定速控制的參數化自動截割技術可實現(xiàn)采煤機自動控制系統(tǒng)設計研究，通過對采煤機數據采樣、數據處理、路徑參數化以及定速自動截割可完成采煤機自動控制系統(tǒng)設計。

2）對設計系統(tǒng)進行測試后發(fā)現(xiàn)，采煤機自動控制系統(tǒng)運行平穩(wěn)可靠，部件運行靈活，符合相關設計要求。