采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及工業(yè)性試驗(yàn)

荊 晶

（山西省陽煤集團(tuán)， 山西 陽泉 045000）

引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，我國每年煤炭的生產(chǎn)和消耗量在世界范圍內(nèi)占據(jù)前列。從煤炭的消耗量來看，在日常生活和生產(chǎn)中對煤炭的需求量極大，而且在未來很長一段時(shí)間內(nèi)煤炭依然在我國能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位。煤炭的生產(chǎn)效率主要與綜采工作面的采煤工藝和綜采設(shè)備的自動(dòng)化水平相關(guān)。采煤機(jī)作為工作面的采煤設(shè)備，其生產(chǎn)能力直接決定工作面的采煤效率，而其生產(chǎn)能力在一定程度上受制于其控制系統(tǒng)的智能化和自動(dòng)化程度[1]。因此，提升采煤機(jī)的智能化、自動(dòng)化水平是當(dāng)前急需解決的問題，是實(shí)現(xiàn)工作面“少人化”甚至“無人化”的基礎(chǔ)。本文著重對采煤機(jī)的智能控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對該控制系統(tǒng)的工業(yè)性試驗(yàn)?zāi)芰M(jìn)行驗(yàn)證。

1 采煤機(jī)概述

本文主要以電牽引滾筒采煤機(jī)為研究對象，該采煤機(jī)的實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖1 所示。采煤機(jī)主要由截割部、傳動(dòng)部、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)及其他輔助系統(tǒng)組成。

圖1 采煤機(jī)結(jié)構(gòu)組成

1）截割部為采煤機(jī)截割煤層的部件，其安裝于采煤機(jī)兩端，由截割電機(jī)控制。截割部由搖臂根據(jù)煤層高度控制其截割高度。一般情況下，采煤機(jī)左右截割部的旋轉(zhuǎn)方向是相反的，其上安裝的螺旋葉片的螺旋方向也是相反的。

2）牽引部為控制采煤機(jī)前進(jìn)的部件，其根據(jù)實(shí)際工況推進(jìn)采煤機(jī)的運(yùn)行。牽引部動(dòng)力由其牽引電機(jī)提供并通過多級減速齒輪最終將動(dòng)力傳至行走箱。

3）電氣系統(tǒng)具有為采煤機(jī)的截割部和牽引部提供動(dòng)力，并為截割部、牽引部等提供過載保護(hù)、報(bào)警的功能。電氣系統(tǒng)中的變頻器為采煤機(jī)的核心部件，基于變頻器和相關(guān)控制系統(tǒng)能夠根據(jù)采煤機(jī)截割部的受力情況控制截割部的動(dòng)力大小，從而實(shí)現(xiàn)在保證工作面生產(chǎn)能力的同時(shí)達(dá)到節(jié)能的效果[2]。

4）輔助裝置主要包括有底托架、電纜水管拖移裝置、噴霧裝置等。底托架與刮板輸送機(jī)連接，為采煤機(jī)提供支撐；噴霧裝置可降低采煤過程中粉塵、煤塵的濃度；電纜水管拖移裝置可避免電纜和水管在拖移過程中出現(xiàn)彎曲和扭鉸的事故。

2 采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)方案的總體設(shè)計(jì)

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，采煤機(jī)的主要?jiǎng)幼鳛闈L筒的調(diào)高和牽引速度的控制。其中，滾筒調(diào)高是通過調(diào)高油缸內(nèi)活塞桿的伸縮控制的，牽引速度是通過調(diào)節(jié)牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制的。因此，采煤機(jī)的智能控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要是完成滾筒的智能調(diào)高和牽引速度的智能控制。

所謂滾筒的智能調(diào)高指的是控制系統(tǒng)可根據(jù)當(dāng)前滾筒所截割煤層的煤巖界面對滾筒的截割高度進(jìn)行智能控制，進(jìn)而避免滾筒在截割過程中觸碰到頂板、巖層以及底板等。所謂牽引速度的智能控制指的是控制系統(tǒng)根據(jù)煤巖界面實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)橫向往復(fù)運(yùn)動(dòng)的智能控制；具體控制為：當(dāng)采煤機(jī)截割部遇到巖層時(shí)，控制系統(tǒng)會控制采煤機(jī)橫向運(yùn)動(dòng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而減少滾筒與巖層、頂?shù)装褰佑|的時(shí)間，為滾筒截割高度的調(diào)整贏得時(shí)間[3]。采煤機(jī)智能控制流程如圖2所示。

圖2 采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)流程

如圖2 所示，采煤機(jī)在正常運(yùn)行狀態(tài)下，控制系統(tǒng)的傳感器可對采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)采集。若監(jiān)測到采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)異常，采煤機(jī)進(jìn)入智能控制狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)滾筒和牽引速度的智能控制，保證采煤機(jī)對采煤機(jī)滾筒和牽引速度協(xié)調(diào)控制，從而確保采煤機(jī)安全、高效、穩(wěn)定的運(yùn)行。

3 采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為保障采煤機(jī)在高粉塵、強(qiáng)振動(dòng)以及易燃易爆環(huán)境能夠安全、高效運(yùn)行，將其智能控制系統(tǒng)分為機(jī)載監(jiān)測系統(tǒng)、順槽監(jiān)測系統(tǒng)以及地面監(jiān)測系統(tǒng)。通過上述三個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的全面、有效的監(jiān)測，且上述三個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)還具備相互通信、信息共享的功能。其中，機(jī)載監(jiān)控系統(tǒng)與順槽監(jiān)控系統(tǒng)通過無線以太網(wǎng)進(jìn)行通信，地面監(jiān)控系統(tǒng)與順槽監(jiān)控系統(tǒng)通過有線以太網(wǎng)通信[4]。機(jī)載監(jiān)測為智能控制系統(tǒng)的主要監(jiān)測手段，本文著重對機(jī)載監(jiān)測系統(tǒng)的控制器及傳感器進(jìn)行選型。

采煤機(jī)機(jī)載監(jiān)控系統(tǒng)的功能為基于各類傳感器對采煤機(jī)運(yùn)行姿態(tài)和狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并結(jié)合所采集到的信息和當(dāng)前實(shí)際工況得出相應(yīng)的控制指令，通過所得控制指令對采煤機(jī)滾筒截割高度和牽引速度進(jìn)行智能控制。

PLC 作為采煤機(jī)機(jī)載智能控制系統(tǒng)的核心，其主要是對傳感器采集到的參數(shù)進(jìn)行處理。根據(jù)采煤機(jī)智能控制需求，考慮到PLC 控制器的擴(kuò)展功能和穩(wěn)定性，選擇PLC 為西門子公司的S7-300PLC。根據(jù)采煤機(jī)的智能控制需求，為機(jī)載監(jiān)控系統(tǒng)配置傳感器的類型及監(jiān)測對象如表1 所示。

4 采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)的工業(yè)性試驗(yàn)

為驗(yàn)證采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)對截割路徑跟蹤的精確性和穩(wěn)定性，并確保采煤機(jī)在其運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)異常時(shí)能夠完成對采煤機(jī)滾筒和牽引速度的智能調(diào)整控制[5]。本文搭建如圖3 所示的智能控制策略的試驗(yàn)系統(tǒng)。

表1 機(jī)載監(jiān)控系統(tǒng)傳感器

圖3 采煤機(jī)智能控制策略的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1）截割路徑的跟蹤效果。經(jīng)工業(yè)性試驗(yàn)可知，當(dāng)采煤機(jī)在煤巖分界面工作時(shí)，滾筒路徑跟蹤的最大誤差為1.15°。根據(jù)采煤機(jī)的尺寸參數(shù)，其滾筒的最大跟蹤誤差僅為0.045 m。

2）采煤智能控制效果。采煤機(jī)智能控制效果的工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 采煤機(jī)智能控制工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果

圖4 中，當(dāng)采煤機(jī)運(yùn)行到1 m 的位置處時(shí)遇到煤巖的分界面，此時(shí)搖臂傾角增大，對應(yīng)滾筒的截割高度也在增大，此時(shí)存在觸碰頂板、巖層的危險(xiǎn)。當(dāng)采煤機(jī)急需運(yùn)行到1.53 m 后監(jiān)測到設(shè)備運(yùn)行異常，并迅速控制采煤機(jī)牽引速度下降，避免其與新的巖層和頂板接觸；與此同時(shí)右搖臂傾角降低，避免其繼續(xù)與頂板或者巖層接觸，從而減少滾筒磨損，進(jìn)而確保采煤機(jī)的安全生產(chǎn)。

5 結(jié)語

采煤機(jī)作為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，其自動(dòng)化、智能化水平直接決定了采煤機(jī)的生產(chǎn)能力。在實(shí)際生產(chǎn)中，難免會遇到采煤機(jī)滾筒與頂板、頂板以及巖層相接觸情況。鑒于上述問題，實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)滾筒截割高度的智能控制和牽引速度的智能控制可確保設(shè)備避免在煤巖分界面與頂板、巖層和底板相接觸，進(jìn)而保證了采煤機(jī)的安全生產(chǎn)，為提升工作面的高效生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。