采煤機結構與控制系統應用實踐

＊彭 虎

（山煤國際能源集團股份有限公司 山西 030000）

前言

隨著科學技術的持續發展，如今綜采工作面也正逐步實現自動化發展。在此進程中，采煤機控制系統作為重要組成部分，井下環境濕度大、粉塵大、通風不良，其在應用中面臨著工作環境惡劣、自動化程度較低、控制能力不足等問題，對企業經濟效益和安全生產造成干擾[1-2]。基于現有研究成果，當前采煤機控制系統的主要研究方向為高度自動化、提高可靠性等，參考現有研究趨勢，結合采煤機總體結構及工作流程，介紹一種采煤機結構與控制系統設計方案，為現有采煤機控制系統設計提供參考，將可發揮一定的理論價值和現實價值[3-4]。通過對關鍵部件進行自動保護設計、設置在線檢測、遠程記憶監控、聯動功能等。提高采煤機自動化水平。

1.采煤機總體結構及工作流程

以MG650/1630-GWD型交流電牽引采煤機為例，采煤機的總體結構如圖1所示。

圖1 采煤機總體結構

采煤機主要工作流程如下：采煤機開始采煤作業流程史，首先，前滾筒予以上升，后滾筒進行下降，然后，對運輸機進行適當移動，把支架推進至距端頭約20m左右區域，開始作業。持續至下一次進道開采作業；當采煤機到達下一個采煤行程時，前滾筒予以上升，后滾筒進行下降，運輸機、支架移動。作業過程中，采煤機到達下順槽采煤行程；前滾筒上升、后滾筒下降，擋煤板調整，使得采煤機方便上順槽作業，重復上述作業流程。

2.采煤機主要部件選型

(1)牽引機構和牽引電機選型

牽引機構主要構成為左右牽引部、左右行走箱，分別置于采煤機框架兩側。牽引部各配置電機1臺，與牽引機構通過花鍵軸相連，動力經行星機構傳遞輸出至行走輪，從而實現截割部行走。綜合計算分析后，確認交流牽引電機采用ABB公司生產的ACS800系列變頻器驅動的75kW交流牽引電機，具體控制過程中PLC經由變頻器實現電機的保護及控制。

(2)截割機構和截割電機選型

截割機構主要包括搖臂和滾筒兩部分。設計中左右搖臂均采用直搖臂，方便左右搖臂配置互換使用。左右搖臂內部各配置1臺截割電機，經由傳動機構將動力傳輸給法蘭機構，由法蘭機構帶動傳動滾筒實施煤巖截割作業。綜合分析確認截割電機輸出功率為650kW。

(3)液壓系統結構選型

液壓機構主要通過泵送電機帶動雙聯齒輪泵運行，而雙聯齒輪泵主要由高低壓油路共同組成，實際運行中電磁閥可通過控制低壓油路實現高壓油路驅動效果，進而達成滾筒升降調節。設計中低壓油路主要采用低壓溢流閥調節，在采煤機滾筒不動作時，低壓油路的工作壓力為2MPa，并在液壓油返回油池前液壓油壓力不發生改變。

3.采煤機控制系統設計

(1)總體架構設計

采煤機控制系統總體設計架構如圖2所示。

圖2 采煤機控制系統總體架構設計示意圖

采煤機控制系統主要硬件設備均配置在防爆電控箱內部，具體硬件設備包括高壓開關柜、變壓器箱以及變頻器箱等。

①高壓開關柜：主要用于實現采煤機電源分配及開關控制。內部配置有高壓隔離開關，可實現采煤機手動供電切斷以及停機檢修時手動切斷。另外，高壓開關內配置控制變壓器，可將3.3kV高壓電源轉換層110V交流電和150V交流電，為用電設備提供電源供應。截割電機配置電流互感器，用于采集截割電機運行中電流數據，實現電流保護。

②變壓器箱：采煤機的牽引電機額定電壓為460V，控制牽引電機額定電壓為460V，采煤機供電電壓為3.3kV，為保障整個采煤機系統的運行穩定性，需要為系統配置1臺變壓器，該變壓器可將3.3kV電壓轉換為460V電壓，以滿足采煤機系統供電需求。

③變頻器箱：主要用于實現采煤機控制。內部配置有PLC設備，所有采集運行信號均由PLC進行分析處理，處理后的數據信息對比預設參數后形成控制信號和保護信號，以此實現采煤機控制及保護效果。另外，設計中配置2臺變頻器（主、從各一臺），對左右牽引電機分別控制，變頻器間通過1根光線達成數據交互，并且直接與PLC相連，經由變頻器實現轉矩控制。

(2)控制器選型

采煤機控制系統的控制器是指PLC設備。綜合市場上現有的PLC設備，結合煤礦井下PLC控制的抗干擾性強、可靠性高、隔爆性能優等要求，最終選用歐姆龍CP1H系列的CP1H-40TW-A型PLC。此PLC可額外擴展7個單元模塊，結合7段LED顯示設備，可將數據信息實時顯示在LED顯示屏，降低高性能顯示屏的應用需求。另外此PLC的數據處理性能較強，并內置有320點開關量，所支持的編程語言較為簡單方便，可根據需求進行具體配置，符合本設計的實際需求，因此選用此PLC作為核心控制器。

(3)控制系統軟件設計

①記憶截割控制程序。記憶截割控制程序主要包括示范模式、跟蹤模式兩種控制模式。其中示范模式需要工作人員手動控制采煤機運行，并在此過程中為采煤機控制系統提供控制數據、控制操作支持；跟蹤模式則分為自動控制模式和人工控制模式兩部分[5]。自動控制模式是根據示范模式中的控制操作實施系統自動化控制操作；人工控制模式則是工作人員根據現場工作狀態對自動控制模式進行微調處理。具體記憶截割控制流程如圖3所示。

圖3 記憶截割控制流程

②滾筒調高控制。根據傳感器設備所采集的數據信息，對比預定數據與采煤機工作狀態數據，對比兩者之間的數據誤差，通過PLC設備向變頻器下達指令，通過電磁閥控制采煤機滾筒高度。

③監控畫面設計。監控畫面通過與PLC配套的顯示屏展示，畫面設計采用CX-Designer軟件。主要板塊含有數據運行、截割顯示、自控采高及實施采高對比數據、故障報警、參數設置等多種畫面。

4.采煤機控制系統的工業性應用實踐

采煤機控制系統工程應用實踐地點位于某礦工作面，頂板為中細砂巖、底板粉砂巖，工作面長寬依次為800m、180m，可開采煤層平均厚度為4.5m，煤層傾角為2°。具體實踐中采煤機正常截割時，人為控制截割負載，將截割電流調整至額定截割電流的1.1倍，持續10s，運行15s后控制采煤機減速，并實施多次運行控制。調整好設備后，采用自動控制，所得預期控制采高與實際采高數據對比結果如圖4所示。

圖4 預期控制采高與實際采高數據對比結果

結合對比結果可知，實際采高與預期控制采高差異較小，確認采煤機控制系統可滿足采煤機基本控制要求。自動控制可降低人工成本、設備檢修成本，提高采煤效率。

5.結束語

綜上所述，基于采煤機總體結構及工作流程，合理實施采煤機主要部件選型和控制系統設計。具體設計內容包括采煤機結構設計與主要部件選型、采煤機控制系統設計兩部分內容，相關設計經過某煤礦工程應用實踐后確認可滿足采煤機基本控制要求。采用自動控制系統后，采煤機操作人員由原來每班4人，減少為每班3人，每天人工成本減少3人，勞動強度下降，設備故障率降低（搖臂損壞一次，直接費用75萬元），采煤效率提高5%，經濟效益可觀。可作為后續采煤機控制系統設計和采煤機結構部件選型的參考設計。

改進后的采煤機多個機械部位安裝傳感器，依靠傳感器對數據進行實時監測，從而實現采煤機自控割煤和遠程控制。若傳感器故障，會造成采煤機部分功能缺失，對傳感器要求較高。未來需要更加可靠的監測技術來對采煤機自動控制進行革新。