采煤機拖纜自動控制系統的優化研究

劉 斌

（山西焦煤霍州煤電紫晟煤業有限責任公司， 山西 霍州 031400）

0 引言

近幾年，隨著以采煤機為代表的自動化綜采設備的不斷投入使用，極大地提升了煤礦井下的綜采作業效率，為了保持對采煤機運行的控制，采煤機在運轉的過程中需要拖動電纜不斷進行進給作業，由于井下地質環境較為復雜，因此為了提高電纜的使用壽命，通常將電纜設置在拖纜裝置內，并且根據采煤機的運行控制拖纜裝置運轉，實現跟機自動運行[1]。在實際使用過程中發現拖纜裝置不僅整體結構相對復雜，而且拖纜控制系統的控制偏差達到了-4～2 m，導致電纜頻繁出現非正常折疊現象，加劇了電纜的磨損，嚴重影響了采煤機運行的穩定性。結合井下拖纜控制需求，提出了一種新的采煤機拖纜控制系統，其采用了全新的基于采煤機位置和速度的閉環模糊控制方案，通過采煤機的運行狀態對拖纜裝置的運行狀態進行調控，實現了纜裝置的高效、可控運行。

1 采煤機拖纜裝置優化

優化后的采煤機拖纜裝置整體主要包括機械部分和電控部分，機械部分采用了緊湊型的布局結構，主要包括驅動部分、滑座及回轉輪，該拖纜裝置整體結構如圖1 所示[2]。

圖1 采煤機拖纜裝置結構示意圖

在該拖纜裝置中，驅動部分主要是為拖拽電纜提供驅動力，主要包括了小型電機和減速機構。滑軌是用于為拖纜裝置提供保護支撐，主要包括了導向結構和運行軌道。拖纜滑動塊則主要是根據控制信號拖動電纜進行運轉。回轉機構則主要是為拖纜裝置提供了在運行時的張緊力，使拖纜過程中電纜夾保持張緊，避免出現脫軌情況。在拖纜裝置運行的過程中，拖纜滑動塊在電纜槽內緊跟采煤機的進給情況，保證電纜夾在運行過程中只出現一次彎折，避免多次彎折導致的脫軌和磨損現象。

電控部分主要作用是控制拖纜裝置驅動部分的運行，根據拖纜裝置的運行情況自動進行鏈條張緊，同時用于對拖纜裝置的運行過程井下檢測和記錄，主要包括了驅動控制、張緊控制及運行監測3 部分功能，該拖纜裝置電控部分整體結構如圖2 所示[3]。

圖2 采煤機拖纜裝置電控部分結構示意圖

1）驅動控制。驅動控制部分主要包括了礦用隔爆箱、變頻控制器、變頻驅動電機等。礦用隔爆箱內設置有PLC 控制器，用于接收并讀取采煤機的運行狀態信息，再通過對采煤機的牛頭拉力、拖纜小車位置等數據信息分析后輸出拖纜裝置的調節控制信號，控制拖纜機構跟隨采煤機運動。為了提升該驅動控制系統的應用可靠性，PLC 部分采用了具有高可靠性和高緊湊性的西門子1215C 型[4]，能夠較好的適應煤礦進行高濕、高塵的惡劣環境。

2）張緊控制。張緊控制的核心是要保證拖纜裝置在運行過程中始終保持張緊狀態，避免出現電纜松脫或者多層疊加現象，張緊控制系統主要包括了張力傳感器及張緊油缸等，通過張力傳感器對拖纜裝置運行過程中張力進行監測，實時將監測結果傳輸到控制中心，進行動態調整，滿足使用過程中的張力穩定性需求。

3）運行監測。運行監測系統主要是用于對拖纜裝置的運行過程進行數據采集及分析，顯示拖纜裝置的運行情況，其采用了高效的數據通信能力，具備多種標準化數據接口，數據傳輸速度快。

2 采煤機拖纜控制系統

拖纜控制系統的核心是控制拖纜裝置跟隨采煤機運行自由的收放電纜，防止電纜在反復運行的過程中出現折疊、磨損，提高運行可靠性。結合采煤機拖纜控制裝置的運行需求，提出了一種新的采煤機拖纜控制系統，該控制系統控制流程如圖3 所示[5]。

圖3 采煤機拖纜控制系統結構示意圖

由圖3 可知，在控制過程中首先由各類傳感器對采煤機和拖纜裝置的速度、位置等信息進行采集，然后將采煤機進給速度的50%作為采煤機拖纜控制裝置的調控依據，通過閉環PID 控制系統[6]來調整變頻器的輸出電機轉速。PLC 控制系統通過獲取采煤機的牛頭電纜張力、驅動電機的轉矩誤差及拖纜小車的位置誤差，然后對數據處理后將其疊加至輸出控制信號中。

當采煤機運行時，電纜夾跟機運行的摩擦力會因拖拽的長度不同而發生變化，系統內提前設定了電纜夾拖拽時的最大允許摩擦力[7]，當摩擦力超過系統設定值后，控制器判斷電纜夾出現了位姿偏差，拖纜小車對拖纜位置進行調整，同時匯總變頻器增加輸出轉矩，保證拖纜裝置的根據運行。通過對摩擦力的限定來確保了在運行過程中電纜夾最多只能有一次折彎，避免了電纜夾在長期使用過程中的卡阻和脫軌情況。

3 應用情況分析

為了對該拖纜控制系統的應用可靠性進行研究，對井下拖纜裝置進行改造，其綜采面的長度為400 m，拖纜小車需要跟機運行的長度為200 m，采煤機運行時的最大速度為4.6 m/s，采煤機拖纜裝置在系統控制下的位置偏差如圖4 所示。

圖4 拖纜裝置跟蹤位置誤差曲線圖

由圖4 可知，在該新型采煤機拖纜自動控制系統的作用下，拖纜裝置的根據誤差控制在-2～1 m 之間，比優化前的-4～2 m 降低了50%，顯著提升了跟機的精確性，在運行過程中未再出現多層疊加及卡死現象，有效提升了輸送機系統運行的穩定性和可靠性。

4 結論

為了解決目前采煤機拖纜裝置結構復雜、拖纜控制系統控制效率低、可靠性差的不足，提出了一種新的采煤機拖纜自動控制系統，采用了全新的基于采煤機位置和速度的閉環模糊控制方案，實現了對采煤機的精確跟機及無卡死拖纜，根據實際應用表明：

1）新的采煤機拖纜裝置，主要包括了機械部分和電控部分，機械部分采用了緊湊型的布局結構，主要包括了驅動部分、滑座及回轉輪等，電控系統主要包括了驅動控制、張緊控制及運行監測3 部分功能。

2）拖纜控制系統，通過對摩擦力的限定來確保了在運行過程中電纜夾最多只能有一次折彎，避免了電纜夾在長期使用過程中的卡阻和脫軌情況。

3）該拖纜控制系統將拖纜裝置運行時的最大偏差量降低了50%，對保證輸送機系統的正常運行，提高電纜使用壽命具有十分重要的意義。