基于PLC的采煤機自動調高控制系統研究

丁文凱

（西山煤電西曲礦，山西古交030200）

引言

針對采煤機自動調高控制系統的問題，各專家學者進行了深入探究，并提出了基于預測控制的采煤機滾筒自動調高系統、采煤機自動調高系統的模糊PID控制、基于虛擬儀器的采煤機自動調高系統研究以及遺傳算法在采煤機自動調高預見控制系統中的應用等觀點，其方法過于復雜且存在一定的滯后性。本文提出了基于PLC的采煤機自動控制系統理論，方法簡單且可靠性高，在實際應用中也取得了滿意的效果。

1 采煤機自動調高系統設計

采煤機在實際生產過程中主要靠滾筒切割煤壁對煤礦井下的煤炭進行開采，因此要達到高產高效采煤的目的，就必須實現采煤機滾筒地自動調高，避免人工操作的滯后性引起滾筒損壞以及資源浪費等問題[1]。對于采煤機滾筒自動調高控制系統原理的設計就是對采煤機的機械結構與液壓調高系統的設計。機械結構方面主要包括采煤機的齒輪的嚙合參數及強度校核、軸及軸承的選用與校核、花鍵的選擇及其強度的校核、潤滑及密封的良好性等內容，而液壓部分則主要控制采煤機滾筒的自動調高系統。

該系統的實驗研究是在某高校的綜合實驗室完成的，主要利用液壓實驗臺對其進行聯合模擬實驗。該實驗系統可分別通過手動模式和自動模式對實驗系統進行模擬加載，從而得到相應的液壓缸特性指標。而本文主要選擇自動控制模式對其進行測試，從而完成本課題的實驗研究目的。該系統的工作原理：在液壓主回路控制中，由系統配電柜給變頻器及相應模塊供電，變頻器帶動電機運轉，電機則拖動主泵轉動，對整個液壓系統進行供油。本文以電控方式舉例說明工作原理，首先通過控制比例先導減壓閥在調整電壓的作用下去控制液控換向閥，使其產生換向動作，當液控方向閥在左位時，液壓油會經過液控換向閥流入測試油缸的無桿腔內，此時測試油缸在液壓油的作用下會左移；在加載回路中，首先給溢流閥設定一個壓力值，對比例溢流閥的輸入信號進行控制，控制加載油缸活塞兩端的壓力，從而實現對液壓缸的模擬加載，由于加載油缸右側處于高壓腔，所以控制液壓油就可以經過對應的單向閥組重新回到油箱；在補油回路中，控制液壓油直接經過減壓閥，并通過對應的單向閥組流入加載油缸的左側，即加載油缸的低壓腔部分，進而給系統補充油量。當液控方向閥在右位時，其系統的加載回路與補油回路與上述工作原理類似，只是在方向上有所不同，此處不再重復闡述其工作過程。

在實驗平臺中裝設了位移、壓力等各種傳感器，實驗操作過程中，會收集到系統運行時各類參數，從而傳給上位機顯示出來，還可以對重要數據進行存儲，以便實驗完成后對其數據進行分析。其系統加載裝置的具體操作流程如圖1所示。

圖1 系統加載裝置操作流程

利用實驗平臺對系統的總體流程進行設計，并實現在實驗室內對采煤機調高系統進行自動控制，下面主要分析本系統的一些功能：第一，可以完成系統的模擬加載。在本實驗平臺上使用了比例溢流閥的加載方式，根據比例溢流閥的輸入信號來整定溢流壓力，控制加載油缸兩端的壓力，使其可以快速調節好加載力值。第二，本實驗平臺可以實現自動控制模式。通過對比例先導減壓閥進行控制和對兩個并聯減壓閥的合理操作，實現對液控方向閥的開啟與關閉控制，從而滿足系統所需的自動控制模式。第三，本實驗平臺有完整的數據采集系統。通過采集位移、壓力等傳感器的實時數據監測加載油缸和測試油缸的運動軌跡及壓力的波動情況，并將相關數據傳到上位機，對其進行存儲、處理和分析等操作。第四，本實驗平臺使用了變頻裝置[2]。當需調節液壓缸的位置時，可以通過改變變頻器的輸出頻率值來調節電機的轉速，進而控制系統的流量，達到調節位置的目的，順利完成模擬實驗。

2 PLC控制系統及監控設計

2.1 PLC控制系統設計

PLC控制系統的設計主要是對采煤機電氣控制部分的選型設計和對PLC控制流程進行設計，從而實現采煤機的自動調高功能。其中對于電氣部分的選型主要包括對變頻器和各類傳感器的選型，我們選用了ABB公司ACS800系列的ACS800-01-0070-3+P901型變頻器，輸入額定電壓380 V，頻率調節在0～50 Hz范圍內，而與之配套的三相電機的額定功率為55 kW，其控制效率可高達97%；位移傳感器選用磁致伸縮線性位移傳感器，其型號為KYDM-LP1A4210-GB1200M1HB-WO，量程為0～1 200 mm，測量精度高達±0.01%；壓力傳感器選用比較通用類型的且帶有壓力表盤，其型號CYG1103型，壓力量程為0～40 MPa，測量精度為±0.25%，完全滿足實驗要求。

一套完整的采煤機自動調高控制系統的設計，需要可編程邏輯控制器（PLC）在其中扮演重要的角色。各類傳感器收集到實時信號后，是沒有辦法直接傳給上位機進行顯示和儲存的，傳感器的信號一般為模擬量，采集到的可能是電流信號（4～20 mA），也可能是電壓信號（0～5 VDC或者0～10 VDC），這時就需要PLC對其進行A/D轉換并轉化成對應的數值范圍以便上位機的顯示；除此之外，PLC在對變頻器的頻率進行控制以及對比例先導減壓閥進行控制等過程中都需要PLC的參與，因此可以說PLC在整個自動控制系統中起著大腦的作用[3]。

2.2 監控系統設計

采煤機的自動調高監控系統主要分為設備層、控制層和信息層。設備層主要是最底層設備，包括各種閥門、傳感器和電機；PLC在控制層中充當著主要角色；組態軟件則是信息管理層的主要設備[4]。其各層次系統結構如圖2所示。

圖2 管理層系統結構圖

上位機的監控在整套系統中起著及其重要的作用，它在PLC處理完數據后，及時顯示給操作人員，給人以直接觀察和及時操作的功能。本次選用世紀星組態軟件，只需前期對各工藝流程進行組態，當調節好PLC與上位機的通訊功能后，在系統運行過程中只需打開組態界面即可實現對各參數的實時監控，同時該組態軟件還具備Web發布功能，即將重要數據發布到網頁上，各階層領導在遠程端只需登錄相應網址即可看到采煤機自動調高系統過程中的相應數據，同時還具有參數設定、數據存儲和故障報警等功能[5]。

3 結語

針對采煤機的自動調高控制系統，從系統的加載裝置操作、電氣的選型和監控系統等方面做了設計，并借助實驗平臺完成了實驗研究，取得了滿意的效果，相信對實際工程應用有較高的借鑒價值。

[1]李曉豁，李燁健，劉述明，等.基于預測控制的采煤機滾筒自動調高系統[J].計算機系統應用，2012，21（4）：36-40.

[2]趙麗娟，李苗.采煤機自動調高系統的模糊PID控制仿真[J].遼寧工程技術大學學報（自然科學版），2016，35（10）：1 075-1 080.

[3]雷儉，田慕琴.遺傳算法在采煤機自動調高預見控制系統中的應用[J].科技情報開發與經濟，2006（23）：186-188.

[4]曾慶良，許德山，等.基于虛擬儀器的采煤機自動調高系統研究[J].中國礦業，2016，25（5）：129-133；137.

[5]高永新，張新鑫.采煤機自動調高控制系統設計[J].測控技術，2016，35（5）：57-60.