采煤機控制系統的性能研究及改進

原學新

(山西煤炭運銷集團神農煤業有限公司，山西 高平 048402)

0 引言

目前，隨著國家對煤炭資源的大量需求，越來越多的煤礦開采設備被應用到煤礦中，采煤機是主要的開采設備，但由于煤礦環境的惡劣性，采煤機控制系統的各項性能也受到了影響，嚴重影響著采煤機的工作效率及作業安全，故采用先進的控制技術，并將其應用到現有采煤機控制系統中，實現設備控制系統的升級優化，提升采煤機工作效率。因此，結合采煤機結構特點及工作環境情況，開展控制系統的總體方案設計，針對該系統中PLC控制器、傳感器設備、控制界面等關鍵部分進行設計優化，并現場應用測試，以驗證該系統的可靠性和綜合性能，對提高采煤機的工作效率和作業安全性具有較大作用。

1 采煤機結構

隨著技術的不斷更新，采煤機的整體結構需要不斷進行優化和性能提升，但其主要結構基本保持不變。主要包括截割滾筒、搖臂、履帶式移動機構、裝載機構、輸送機構、電控系統等，其中，滾筒、搖臂是采煤機的主要結構，主要負責對煤層進行切割；采煤機上的刮板輸送機，承擔采落下來煤炭的運輸，并通過電驅動方式進行驅動控制。通過機構間的相互配合，快速完成對煤層的開采、運輸。采煤機的應用，可較大程度地提升煤層的開采效率，降低工人勞動強度，提高企業經濟效益。

2 控制系統總體結構改進方案

結合現有采煤機的結構特點，按照智能化礦井建設需要，對現有采煤機控制系統進行綜合性能的提升。在控制系統改進后，主要對自動切割系統、保護系統、人機顯示界面等方面進行優化改進。其整體結構包括變頻器腔、配電腔、變壓器腔、高壓配電箱等幾大部分，如圖1所示。同時，從功能來上劃分，包括電氣控制系統、動力系統、監控系統等，分別分布在采煤機上的相應位置。在切割電機方面，采用智能控制模塊，可通過設計的各類傳感器對電機的工作溫度、工作壓力、切割功率等參數進行智能檢測，并將檢測的相關信號傳遞至PLC控制中心，其主要的傳輸通信采用CAN總線方式；PLC將檢測的各類信號經過分析處理后，傳遞至相關執行機構，并在顯示界面中進行實時顯示。在該系統的動力系統中，配備了切割電機、泵電機、裝載電機、斷路器、高壓配電裝置等，可為采煤機提供有效的驅動電能及液壓動力。而該系統中的控制核心部分則主要包括PLC、智能保護模塊、繼電器、軟啟動模塊等，主要實現對采煤機各項功能的命令操作、智能保護及運行狀態監控等功能。視頻監控系統則主要包括攝像機、顯示器、電源等部分，能為采煤機操作人員提供較為直觀、準確的視頻監控效果。

圖1 控制系統結構布局

3 控制系統改進設計

3.1 PLC匹配設計

在控制系統PLC匹配設計過程中，需結合采煤機的運行工況進行PLC輸入輸出點、存儲量、控制點數等參數的設計，所匹配的PLC需滿足采煤機工作過程中煤塵大、振動幅度大、較大外界干擾影響等因素。因此，主要選用西門子的PLC控制器，其類型為赫斯墨PLC控制器，該控制器具有較高的振動適用性、高沖擊性、較強的抗電磁干擾能力、溫度適應范圍較廣，整體的防護等級達到IP67，較好地滿足該控制系統中開關量輸入輸出、模擬量輸入輸出、脈沖信號輸入等信息，并能通過CAN通信，對各類信號進行快速、高質量的傳輸。PLC的主要性能參數見表1。

表1 PLC控制器主要性能參數

3.2 傳感器設備匹配設計

在整個控制系統中，需設計多種類型規格的傳感器設備，實現對采煤機不同運行信息的信號采集，主要包括傾角傳感器、皮帶秤、旋轉編碼器、溫度傳感器、振動傳感器等，其中，傾角傳感器選用CS-2TAS-06型號，主要安裝在切割臂上，實現對切割臂不同工作位置的信號采集及自動定位，其采集精度可達±80°，并通過CAN總線方式進行信號傳輸，有效滿足采煤機的使用需求。同時，設計的旋轉編碼器主要負責對采煤機切割深度的快速檢測，并通過CAN總線，將采集的信號輸出至控制器中，實現對采煤機切割位置、不同方向行動等方面的控制。另外，選用皮帶秤主要負責對采煤機中煤礦運輸量的檢測和顯示，并對所運輸煤礦總量進行不斷的累計求和計算。

3.3 控制界面設計

控制界面是整個控制系統的關鍵部分，其較好的顯示界面，能有效地實現對采煤機運行狀態的全面監控、控制等操作。能對采煤機滾筒轉速、煤層切割速度、機身振動程度、電源運行狀態、切割電機運行參數等方向進行全面顯示，其中，采煤機滾筒轉速顯示界面設計實際轉速及設置轉速等參數，可通過人工方式進行參數的快速調節；而電機運行狀態顯示界面，則能對采煤機上主泵電機、副泵電機、皮帶輸送機等電機的工作電流、工作電壓、運行功率、工作溫度等參數進行實時變化曲線及數字化顯示，當電機出現突然中斷或異常運行時，顯示界面中將會出現“？”符號，并發出相應的報警及閃爍提示，其顯示界面如圖2所示。

圖2 電機運行顯示界面

4 系統測試

為進一步驗證其整體系統的綜合性能，必須進行現場試驗測試。在整個測試過程中，整套系統各項控制功能運行正常，并能將采煤機上工作溫度、工作壓力、電機功率等關鍵信號參數在顯示界面中進行實時顯示，同時，通過對控制命令的操作，能對采煤機不同切割位置、切割高度、煤礦運輸量等參數進行實時控制，且整體控制精度相對較高。同時，通過對顯示界面中的設置按鈕進行功能設置和調整。在測試過程中，也對控制系統的電機故障、配電裝置故障、高溫報警故障等進行測試，結果顯示，該控制系統能準確、實時地對各類故障發出相應的報警提示，并將故障信息進行故障分析及存儲。據現場測試人員分析，改進后的采煤機控制系統具有更高的控制精度，能將采煤機檢測參數的誤差范圍縮小將近45%左右，且控制功能更加齊全。

5 結論

隨著煤礦領域技術水平的不斷提升，不斷加大對采煤機控制系統的升級完善，已成為當下提高采煤機工作效率的重要發展方向。因此，以采煤機結構特點分析為基礎，開展了采煤機控制系統的總體系統設計，重點設計分析了該系統中關鍵部位，并對其進行了現場測試驗證，結果表明，改進后的采煤機控制系統具有更高的控制精度，功能更加齊全，能較好地實現對采煤機運行狀態的實時監控，得到了現場測試人員的一致好評。通過開展該控制系統的改進設計，采煤機控制系統綜合性能和采煤工作效率顯著提升。