高瓦斯煤礦綜采工作面采煤機(jī)速度動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)研究

布朋生

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

采煤機(jī)是建設(shè)智能煤礦，打造智慧礦山，推動(dòng)礦井向安全高效智能化開采、清潔高效集約化轉(zhuǎn)型的重要設(shè)備之一。采煤機(jī)驅(qū)動(dòng)方式由液壓驅(qū)動(dòng)向電驅(qū)轉(zhuǎn)變。電驅(qū)又分為直流電驅(qū)和交流電驅(qū)。采煤機(jī)常用的為交流電驅(qū)模式，克服了直流電驅(qū)體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差的缺點(diǎn)，并可增大交流電動(dòng)機(jī)的功率，推動(dòng)采煤機(jī)向大功率、高可靠性方向發(fā)展[1]。電驅(qū)采煤機(jī)的調(diào)速性能，成為保證采煤機(jī)安全、集約化生產(chǎn)的關(guān)鍵影響因素之一。變頻調(diào)速是電驅(qū)采煤機(jī)常用并且有效的調(diào)速方案，可使用電壓/頻率轉(zhuǎn)換(voltage to frequency,V/F)控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等多種變頻控制技術(shù)[2-6]，并綜合應(yīng)用模糊控制技術(shù)優(yōu)化被控制交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速[7-10]。針對(duì)工作于高瓦斯綜采工作面的采煤機(jī)，結(jié)合實(shí)際工況，在該采煤機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，考慮頂板壓力、瓦斯?jié)舛葍蓚€(gè)參數(shù)，優(yōu)化采煤機(jī)變頻調(diào)速控制方案。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高瓦斯煤礦綜采工作面的采煤機(jī)速度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 采煤機(jī)速度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)由采煤機(jī)、液壓支架控制器以及附屬的壓力傳感器和瓦斯斷電儀、信號(hào)采集器以及順槽監(jiān)控平臺(tái)組成。壓力傳感器用于檢測(cè)綜采工作面頂板壓力。瓦斯斷電儀用于檢測(cè)工作面的瓦斯?jié)舛?。信?hào)采集器位于綜采工作面端頭，用于采集各液壓支架控制器傳送的壓力以及瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)。液壓支架控制器采集到壓力值、瓦斯?jié)舛群?，?jīng)信號(hào)采集器傳送給順槽監(jiān)控平臺(tái)。順槽監(jiān)控平臺(tái)獲取壓力值、瓦斯?jié)舛戎岛?，采用軟件濾波方法得出用于控制采煤機(jī)速度的平均值，并根據(jù)采煤機(jī)速度動(dòng)態(tài)控制方案，對(duì)采煤機(jī)截割速度進(jìn)行控制。

2 方案實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)采集

每臺(tái)液壓支架安裝有支架控制器、壓力傳感器以及瓦斯斷電儀。支架控制器用于對(duì)該臺(tái)液壓支架的動(dòng)作控制、模擬量數(shù)據(jù)的采集以及與外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送。以BECKHOFF控制器為例，對(duì)模擬量壓力傳感器數(shù)據(jù)采集進(jìn)行說(shuō)明，并定義壓力傳感器輸出為4～20 mA DC電流信號(hào)，測(cè)量范圍為0～60 MPa。為獲取模擬量數(shù)據(jù)，需增加模擬量數(shù)據(jù)采集模塊，如EL3151(接收輸入信號(hào)為4～20 mA電流信號(hào))擴(kuò)展模塊為模擬量輸入模塊。EL3151與壓力傳感器進(jìn)行電氣連接后，即可采集壓力傳感器的電流輸出信號(hào)。EL3151采集后并發(fā)送給BECKHOFF主控制器(對(duì)應(yīng)數(shù)字量0～32 767)。根據(jù)該壓力傳感器的特性曲線，計(jì)算出實(shí)時(shí)壓力值。

2.2 軟件濾波

圖2 模擬量軟件濾波流程圖

2.3 采煤機(jī)速度動(dòng)態(tài)控制

根據(jù)液壓支架控制器獲取的頂板壓力、瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，對(duì)采煤機(jī)截割電動(dòng)機(jī)速度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)的基本規(guī)則如下：①當(dāng)采集的頂板壓力值大于等于設(shè)定上限時(shí)，表明此時(shí)頂板壓力過(guò)高，煤層中瓦斯含量較多，需降低采煤機(jī)截割電動(dòng)機(jī)的截割速度；②當(dāng)采集的頂板壓力值小于等于設(shè)定下限時(shí)，表明此時(shí)頂板壓力值較低，煤層中瓦斯含量較少，可提高采煤機(jī)截割電動(dòng)機(jī)的截割速度；③當(dāng)采集到的頂板壓力值處于[DYmin,DYmax]時(shí)，可保持采煤機(jī)截割電動(dòng)機(jī)的截割速度不變；④當(dāng)采集到的瓦斯?jié)舛戎荡笥诘扔谠O(shè)定上限時(shí)，表明此時(shí)工作面瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)，需降低采煤機(jī)截割電動(dòng)機(jī)的截割速度或?qū)崿F(xiàn)采煤機(jī)閉鎖控制；⑤當(dāng)采集到的瓦斯?jié)舛戎敌∮诘扔谠O(shè)定下限時(shí)，需提高采煤機(jī)截割電動(dòng)機(jī)的截割速度；⑥當(dāng)采集到的瓦斯?jié)舛戎堤幱赱Gmin,Gmax]時(shí)，可保持采煤機(jī)截割電動(dòng)機(jī)的截割速度不變。綜合壓力、瓦斯?jié)舛葌鞲衅鲾?shù)據(jù)，截割電動(dòng)機(jī)截割速度控制情況統(tǒng)計(jì)值如表1所示。

表1 截割電動(dòng)機(jī)截割速度控制情況統(tǒng)計(jì)值

采煤機(jī)速度動(dòng)態(tài)控制軟件流程如圖3所示。對(duì)采煤機(jī)截割電動(dòng)機(jī)速度進(jìn)行加速、減速、保持以及閉鎖控制，并通過(guò)端頭液壓支架的信號(hào)采集器，將獲取綜采工作面實(shí)時(shí)頂板壓力、工作面瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)傳送到順槽監(jiān)控平臺(tái)。

圖3 采煤機(jī)速度動(dòng)態(tài)控制軟件流程圖

3 試驗(yàn)與應(yīng)用

原采煤機(jī)調(diào)速方案基于直接轉(zhuǎn)矩控制方案加速度模糊調(diào)節(jié)裝置，共同完成對(duì)采煤機(jī)截割部電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速功能。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的高瓦斯煤礦綜采工作面采煤機(jī)速度動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)嵌入至原采煤機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中。優(yōu)化后的截割電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制原理如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后的截割電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制原理圖

在車間模擬頂板壓力大小以及瓦斯?jié)舛雀叩蛢蓚€(gè)控制參數(shù)，觀察采煤機(jī)截割電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化。經(jīng)測(cè)試，用戶能夠按照表1所述動(dòng)態(tài)調(diào)整截割電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。采用優(yōu)化調(diào)速方案的采煤機(jī)在陽(yáng)煤一礦綜采工作面實(shí)際使用。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，采煤機(jī)截割部電動(dòng)機(jī)在遇到頂板壓力大于上限值時(shí)，其轉(zhuǎn)速會(huì)減小。當(dāng)轉(zhuǎn)速小于下限值時(shí)，其轉(zhuǎn)速會(huì)增加；當(dāng)瓦斯?jié)舛却笥谏舷拗禃r(shí)，控制系

統(tǒng)完成對(duì)采煤機(jī)的閉鎖控制。實(shí)際使用的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)符合預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié)論

以采煤機(jī)為研究對(duì)象，綜合考慮其工作的高瓦斯特殊環(huán)境，對(duì)采煤機(jī)截割部電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制時(shí)，將頂板壓力、瓦斯?jié)舛茸鳛橹匾{(diào)速參數(shù)，優(yōu)化原采煤機(jī)的變頻調(diào)速控制方案。按照表1所述，模擬現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境，完成出廠試驗(yàn)。在實(shí)際使用過(guò)程中，采煤機(jī)能夠遵循速度動(dòng)態(tài)控制方案進(jìn)行加速、減速、保持以及閉鎖動(dòng)作，從而較好地適應(yīng)高瓦斯綜采工作面，實(shí)現(xiàn)安全、高效率生產(chǎn)的目的。