采煤機調速控制系統的優化研究

林新元

（陽泉煤業集團翼城東溝煤業有限公司， 山西 臨汾 041000）

引言

采煤機作為煤礦井下“三機”中的核心設備，是決定綜采作業安全性和經濟性的關鍵。為了確保傳動系統的安全，采煤機在截割作業過程中通常通過改變截割轉速或者調整進給速度來不斷改變采煤機的截割作業狀態，但該類型的調整方法主要依靠作業人員的工作經驗，存在著較大的不確定性，而且對綜采作業效率影響較大[1]。因此，本文提出了一種新的采煤機調速控制系統，其采用了模糊自適應的控制模式，能夠根據作用在截割機構上的煤巖的截割阻力的大小靈活調整采煤機的進給速度和截割轉速。

1 采煤機調速控制系統的整體結構

該采煤機的自動調速控制系統主要以PLC 邏輯控制為基礎，分為溫度測量模塊、自動控制模塊以及工作電流的監測模塊，在運行過程中各監測模塊自動對采煤機運行過程中的工作電流、電機溫度、截割轉速、運行速度等進行實時監控，當某一個監測數據超過正常工作范圍后系統將對該參數進行標定并報警，根據邏輯控制程序判斷異常發生的初步原因，根據判斷結果自動實施邏輯控制調整，發出調整電流信號，對相應工作參數進行調整，確保采煤機的穩定運行，比如當出現截割功率超標時，系統根據綜合截割狀況，發出調整信息，對截割轉速和牽引速度進行綜合調整，實現在恒功率前提下的綜采效率提升，該采煤機調速控制系統結構如圖1 所示[2]。

2 數字量恒功率控制系統

為了確保恒功率控制的精確性，本文在傳統的模擬電子元件恒功率控制系統的基礎上，提出了一種新的數字量恒功率控制系統，該系統主要包括微處理器設備、變頻控制系統等，可以根據所監測到的截割電機控制系統的電流信號，對采煤機的運行狀態進行不間斷的閉環控制調節，從而實現對采煤機恒功率的精確控制，如圖2 所示[3]。

圖1 采煤機調速控制系統結構示意圖

當該系統運行時，系統會采集采煤機正常進給作業時的速度，當截割作業過程中煤層的硬度發生變化后，會直接導致采煤機驅動電機的輸出電流發生改變，將輸出的實際電流和系統設定的額定電流進行對比，經過PLC 控制中心的計算后輸出模擬量電壓信號，再經過D/A 轉換器的轉換，控制變頻控制器的輸出電流頻率和電壓值，從而實現對采煤機截割轉速和進給速度的調整。

在具體控制上，如果煤層硬度增加，則作用在截割滾筒上的截割阻抗增大，截割電流同步增加，此時控制系統控制變頻器降低輸出電壓，減小牽引電機的運行速度，減少單位時間內的煤層截割厚度，從而降低了截割滾筒的截割負載，確保驅動電機的恒功率運行。如果煤層硬度降低，則可以通過控制增加輸出電壓，加快采煤機的進給速度，提高單位時間內的煤層截割厚度，確保電機的恒功率運行。由于井下地質環境復雜，因此為了確保控制系統的控制穩定性和精度，將驅動電機的功率調節范圍設定為1±5%，從而確保系統在安全運行前提下的調整頻次，保證各類電器元件的使用壽命。

圖2 數字量恒功率控制原理

3 模糊自適應控制原理

傳統的模糊控制方案雖然調控效果較為平穩，但是調控速度慢，無法滿足新的調速控制系統精確、快速的調整控制需求，本文在傳統模糊控制的基礎上，提出了一種新的模糊自適應調整控制邏輯，該控制方案具有調控速度快、精確性高的優點，其調整控制邏輯如圖3 所示[4]。

圖3 模糊自適應控制原理

采煤機調速系統對作用在截割滾筒上的截割阻力變化時的電流情況進行監控，然后在模糊自適應控制模塊中對偏差量和調節量進行對比分析，輸出調節控制信號給變頻器，控制變頻器對牽引電機的工作電壓進行調整，進而實現對調速系統的穩定控制。

4 采煤機調速控制系統的應用效果

為了對該采煤機調速控制系統的實際調控效果進行分析，利用simulink 仿真分析軟件[5]建立該調速控制系統的仿真分析模型，假設當系統穩定運行1 s 后對系統輸入一個模擬突變電流，驗證不同控制系統作用下采煤機截割控制系統的調速情況，不同調速控制模式下的控制效果如圖4 所示。

圖4 不同控制方案下的調速控制效果

由圖4 可知，當對系統施加一個模擬激勵信號后，采煤的進給速度Vq從14 m/min 上升到18 m/min，當采用傳統的模糊控制方案時，其調整時間長達3 s，而采用新的模糊自適應控制的情況下，其調整時間僅1.7 s，比優化前降低了43.3%，能夠快速地響應截割阻抗的變化，雖然在調整是速度有輕微的波動，但其超調量僅0.5 m/s，完全滿足可控需求，綜合分析后可知新的模糊自適應控制具有響應速度快的優點，更適合該調速控制系統的需求。

5 結論

1）采煤機的自動調速控制系統主要以PLC 邏輯控制為基礎，主要分為溫度測量模塊、自動控制模塊以及工作電流的監測模塊，能夠根據綜合截割狀況發出調整信息，對截割轉速和牽引速度進行綜合調整，實現在恒功率前提下的綜采效率提升。

2）模糊自適應調整控制邏輯，該控制方案具有調控速度快、精確性高的優點，調整時間比優化前降低了43.3%，能夠快速響應截割阻抗的變化。