綜采工作面采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)運(yùn)行速度協(xié)同控制研究

劉 超

（山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán)設(shè)備修造廠，山西 介休 032000）

0 引 言

綜采工作面面內(nèi)采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)相互配合完成煤炭截割、外運(yùn)工作，實現(xiàn)采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)協(xié)同控制，避免刮板輸送機(jī)出現(xiàn)堆煤對提高煤炭開采效率具有一定的促進(jìn)意義[1-2]。為此，眾多的研究學(xué)者對采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)協(xié)同控制展開研究，其中崔楠楠[3]提出采用傳感器監(jiān)測采煤機(jī)負(fù)載，并通過負(fù)載調(diào)整刮板輸送機(jī)運(yùn)行，從而實現(xiàn)采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)協(xié)同工作；高國強(qiáng)[4]根據(jù)負(fù)載自適應(yīng)理論預(yù)測刮板輸送機(jī)載荷，并調(diào)控采煤機(jī)推進(jìn)速度，避免刮板輸送機(jī)出現(xiàn)堆煤問題；疏禮春等[5]綜合視頻監(jiān)控、人員定位、煤流運(yùn)輸監(jiān)測等技術(shù)，實現(xiàn)綜采工作面人員、設(shè)備的智能監(jiān)控，從而提高綜采設(shè)備間運(yùn)行匹配程度。上述研究成果為提升采煤工作面綜采設(shè)備工作效率有一定的促進(jìn)作用。文中就在以往研究成果基礎(chǔ)上[6-8]，針對山陽礦3501 綜采工作面采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)負(fù)載不協(xié)調(diào)問題，提出依據(jù)刮板輸送機(jī)負(fù)載調(diào)整采煤機(jī)運(yùn)行，充分利用綜采工作面內(nèi)已有設(shè)備構(gòu)建合理的采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，在一定程度上提升煤炭開采效率。

1 工程概況

山陽礦3501 綜采工作面開采3 采區(qū)首采工作面，回采的5 號煤層為發(fā)熱量高，低灰、低的優(yōu)質(zhì)動力煤。煤層埋深平均430 m，厚度在2.2~5.6 m 間，傾角平均2°~5°，受地質(zhì)構(gòu)造影響煤層賦存不穩(wěn)定性，煤層厚度變化較大。采面采用的采煤機(jī)型號為MG500/1140-GWD，采高2.5 ~ 5.5 mm，最大牽引速度7.8 m/min；液壓支架型號為ZY8000/25/55，支撐高度2.5~2.5 m；刮板輸送機(jī)型號為GZ-764/630，額定運(yùn)量1 000 t/h。

正常情況下3501 綜采工作面采高為2.5 m，采煤機(jī)割煤速度為3.8 m/min，刮板輸送機(jī)可滿足采面運(yùn)煤需要。在采面推進(jìn)至280 m 位置，5 號煤層厚度由平均2.5 m 增加至5.0 m，考慮到采煤機(jī)采高、液壓支架支撐高度均可滿足要求，為了提高5 號煤資源回采率，采面采高逐漸由2.5 m 增加至5.0 m，隨著采面煤炭開采量的增加，刮板輸送機(jī)在使用過程中出現(xiàn)一定程度的堆煤、過載停機(jī)問題，制約采面高效生產(chǎn)。若臨時更換刮板輸送機(jī)不僅需要重新購置，而且設(shè)備更換會占用大量的回采時間；若保持采高不變則導(dǎo)致煤炭資源浪費(fèi)。

為確保3501 綜采工作面高效回采，礦井對采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)運(yùn)行協(xié)同控制展開研究，提出通過監(jiān)測刮板輸送機(jī)負(fù)載調(diào)整采煤機(jī)割煤速度，從而在滿足刮板輸送機(jī)高效運(yùn)輸基礎(chǔ)上實現(xiàn)采面高效回采。

2 調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)及配合分析

采煤機(jī)結(jié)構(gòu)包括有截割部、牽引傳動部、電氣控制系統(tǒng)以及其他輔助裝置等。刮板輸送機(jī)是采面內(nèi)主要的運(yùn)輸設(shè)備，具有截割強(qiáng)度高、機(jī)身矮、具有一定的彎曲度等特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)包括有機(jī)頭、機(jī)尾及中部槽等。采煤機(jī)在刮板輸送機(jī)中部槽上往返運(yùn)動，截割落煤通過刮板鏈運(yùn)輸出采面。刮板輸送機(jī)為采煤機(jī)運(yùn)行提供導(dǎo)向，且中部槽鉸接點(diǎn)與液壓支架連接，通過液壓支架投提供的推移力不斷隨著采面回采不斷前移，具體采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)相互配合工作過程見圖1。

圖1 采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)配合過程

2.2 速度協(xié)同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括有集中控制箱、PLC 控制器等，主要功能是對刮板輸送機(jī)負(fù)載、采煤機(jī)運(yùn)行速度等進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)刮板輸送機(jī)負(fù)載情況向采面煤發(fā)出速度調(diào)整指令，從而實現(xiàn)采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)協(xié)同運(yùn)行。

系統(tǒng)中PLC 控制器為核心組件，主要控制設(shè)備包括有巷道PLC、采煤機(jī)PLC、刮板輸送機(jī)PLC 以及組合開關(guān)等，PLC 全部為西門子S7-300。速度協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中集控箱為KXJ0.5-1140，該集中控制箱可采面內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互。具體采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)協(xié)同控制系統(tǒng)控制流程見圖2。

2.3 協(xié)同調(diào)速控制系統(tǒng)運(yùn)行原理

采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)運(yùn)行速度協(xié)同控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)處理等模塊。數(shù)據(jù)采集重要通過布置在采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)上的傳感器實現(xiàn)，具體涉及傳感器包括有溫度傳感器、電流傳感器、軸編碼傳感器，通過傳感器可實時收集采煤機(jī)運(yùn)行速度、位置，刮板輸送機(jī)運(yùn)行溫度、電流、運(yùn)輸速度等。

圖2 采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)協(xié)同控制系統(tǒng)控制流程

由于綜采工作面內(nèi)設(shè)備繁多且環(huán)境惡劣，若采用傳統(tǒng)的有線傳輸方式雖然可滿足數(shù)據(jù)傳輸需要，但是液壓支架、刮板輸送機(jī)不斷推移，采煤機(jī)往返移動等均容易導(dǎo)致通信電纜破損，為此數(shù)據(jù)傳輸方式采用無線方式。具體是通過無線MESH 交換機(jī)構(gòu)建局域網(wǎng)，將各傳感器監(jiān)測信息先傳輸給機(jī)載PLC，后通過無線網(wǎng)速將信息傳輸給巷道內(nèi)PLC 及工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。

巷道內(nèi)工控機(jī)根據(jù)傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)對刮板輸送機(jī)負(fù)載進(jìn)行預(yù)測，隨后借助無線網(wǎng)絡(luò)將調(diào)速指令傳輸給采煤機(jī)PLC，通過PLC 提醒采煤司機(jī)調(diào)整采煤機(jī)運(yùn)行速度，從而確保采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)運(yùn)行速度協(xié)同。

3 無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及刮板輸送機(jī)載荷監(jiān)測

3.1 無線網(wǎng)絡(luò)平臺構(gòu)建

傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸以及控制指令發(fā)送等均需要無線網(wǎng)絡(luò)傳輸。構(gòu)建的無線通信平臺是通過MESH 交換機(jī)將采煤機(jī)機(jī)載PLC、刮板輸送機(jī)機(jī)載PLC、巷道PLC、組合開關(guān)以及傳感器等間具有高效的信息通信能力。其中傳感器監(jiān)測獲取到的監(jiān)測數(shù)據(jù)先傳輸給機(jī)載PLC，后通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。具體無線網(wǎng)絡(luò)平臺結(jié)構(gòu)見圖3。

無線網(wǎng)絡(luò)平臺傳輸應(yīng)具有較強(qiáng)的可靠性、實時性以及同步性，因此傳輸協(xié)議采用西門子S7/TCP 協(xié)議，將各終端連接起來。選用的無線MESH 交換機(jī)型號為KJJ12 7000 本安型無線交換機(jī)，可在高粉塵、瓦斯以及高濕度等惡劣環(huán)境下可靠運(yùn)行，傳輸速度可達(dá)到100/1 000 Mbps。在無線網(wǎng)絡(luò)有效傳輸距離在50 m 以上，為此，在綜采工作面布置3 個以太網(wǎng)接口，即可滿足采面無線傳輸需要。

圖3 無線網(wǎng)絡(luò)平臺結(jié)構(gòu)

3.2 刮板輸送機(jī)負(fù)載監(jiān)測系統(tǒng)

刮板輸送機(jī)負(fù)載監(jiān)測系統(tǒng)主要由機(jī)載PLC、傳感器等構(gòu)成，主要用以監(jiān)測刮板輸送機(jī)運(yùn)行速度、負(fù)載，驅(qū)動電機(jī)電流、溫度，執(zhí)行本地操作控制以及閉鎖保護(hù)等功能。刮板輸送機(jī)機(jī)載PLC 結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 刮板輸送機(jī)機(jī)載PLC 結(jié)構(gòu)參數(shù)

為了實現(xiàn)對刮板輸送機(jī)載荷的實時預(yù)測，需要采用傳感器監(jiān)測刮板輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行數(shù)據(jù)。傳感器主要作用是將收集到的刮板輸送機(jī)電動機(jī)溫度及電流、運(yùn)行速度等轉(zhuǎn)換成電信號，從而將監(jiān)測對象與分析系統(tǒng)結(jié)合起來。因此，合理的選擇傳感器是實現(xiàn)采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)協(xié)同控制的關(guān)鍵之一。

通過綜合比對分析，溫度傳感器型號確定為GWP200，該傳感器為插入式，可直接布置在刮板輸送機(jī)機(jī)頭位置，實時獲取電動機(jī)溫度；電流傳感器型號確定為LMZ-1，布置在刮板輸送機(jī)組合開關(guān)內(nèi)部，直接獲取電流參數(shù)；速度傳感器采用型號BQH24 軸編碼傳感器，將其布置在刮板輸送機(jī)、采煤機(jī)低速轉(zhuǎn)動軸中，通過脈沖計數(shù)法直接掌握采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)運(yùn)行速度。

4 應(yīng)用效果分析

在巷道控制主機(jī)顯示屏上可直接顯示刮板輸送機(jī)實時載荷，當(dāng)出現(xiàn)超載時即會向采煤機(jī)PLC 控制器發(fā)出信息，提醒采煤機(jī)司機(jī)降低回采速度。在3501綜采工作面采用文中所提采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)速度協(xié)同控制系統(tǒng)后，采面未再出現(xiàn)由于采煤機(jī)采煤量過大而導(dǎo)致刮板輸送機(jī)堆煤過載嚴(yán)重過載停機(jī)問題。

5 結(jié) 論

1）通過監(jiān)測刮板輸送機(jī)運(yùn)行情況、載荷等調(diào)整采煤機(jī)割煤速度，從而實現(xiàn)采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)運(yùn)行速度協(xié)同控制。

2）采用溫度、電流、速度等傳感器監(jiān)測刮板輸送機(jī)、采煤機(jī)運(yùn)行情況，將監(jiān)測結(jié)果通過無線方式傳輸給巷道控制主機(jī)，控制主機(jī)依據(jù)監(jiān)測結(jié)果對刮板輸送機(jī)是否出現(xiàn)過載進(jìn)行判定，當(dāng)出現(xiàn)過載時向采煤機(jī)PLC 控制器發(fā)出指令，提醒采煤機(jī)司機(jī)降低割煤速度，從而實現(xiàn)采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)運(yùn)行速度協(xié)同。

3）現(xiàn)場應(yīng)用后，3501 綜采工作面采煤機(jī)推進(jìn)速度根據(jù)刮板輸送機(jī)載荷自動高效調(diào)整，現(xiàn)場取得較好應(yīng)用效果。