刮板輸送機協同控制方案設計

鄭華華

（山西華陽集團新能股份有限公司一礦機電工區，山西 陽泉 045008）

引言

國內煤炭賦存以井工煤礦形式為主，露天礦的占比較小。井工煤礦地質條件復雜、開采難度較大、瓦斯突出等安全隱患嚴重，自動化、智能化、少人化開采的需求更加迫切。隨著我國煤礦井下機械化、自動化程度的不斷提高，對采煤設備的協同控制、自動化控制的需求不斷增加[1-2]，國內各大科研院所、大專院校借鑒國外研究成果，理論結合實際，對采煤設備的協同控制技術展開深入研究，取得一系列研究成果，并運用于煤礦井下生產實踐。刮板輸送機設備研究方面，國內的刮板輸送機正在由產品單一化逐漸向產品多樣化、系列化及模塊化方面發展，以滿足煤礦井下不同工況、不同地質條件的需求。文獻[3]為及時發現并解決刮板輸送機減速器故障，利用改進的螢火蟲算法神經網絡控制方案，對減速器故障進行準確預測和診斷。文獻[4]針對薄煤層用刮板輸送機進行系統設計和改進，使其能夠適應“三角煤”工況。文獻[5]在分析刮板輸送機結構特點、工作原理、協同工作機制的基礎上，分析并建立綜采裝備的物理傳感體系和協同控制模型，將多傳感器信息融合技術與姿態協同控制相結合，利用Matlab進行仿真并完成綜采裝備的姿態協同控制、性能協同控制工業試驗，驗證了所提協同控制方法的可行性和先進性，實際解決了綜采工作面綜采裝備人工控制連續性差、生產效率低的問題。本文以刮板輸送機控制系統為研究對象，綜合考慮采煤機、液壓支架，設計基于EPEC控制器的協同控制方案。

1 刮板輸送機功能與物理模型

1.1 功能

刮板輸送機的功能主要如下：輸送采煤機截割的煤料，并傳送至轉載破碎機；作為采煤機的運行軌道，使得采煤機能夠沿綜采工作面進行往復割煤運動；作為液壓支架推溜的支點，使得采煤機、液壓支架、刮板輸送機行進一個步距。

綜采工作面“三機”設備工作時，刮板輸送機需與采煤機、液壓支架密切配合，協同完成采煤、運煤任務。刮板輸送機需保持對直，否則會出現采煤機無法割煤或采煤機截割電機功率不夠的情況，影響綜采工作面采煤效率。刮板輸送機對直時，還與液壓支架關系密切，由液壓支架進行推溜動作，將刮板輸送機沿工作面方向推進一個步距[6-8]。

1.2 物理模型

為實時監測綜采工作面刮板輸送機運行狀態，保證刮板輸送機正常、連續、穩定運行，同時完成與采煤機、液壓支架的協同控制，安裝的關鍵傳感器元件見表1。在刮板輸送機機頭、機尾安裝溫度傳感器，用于監測電動機的繞組溫度、軸承溫度；流量傳感器用于監測用于電動機冷卻的冷卻水流量；壓力傳感器用于監測用于電動機冷卻水的壓力。刮板輸送機機頭、機尾電動機采用變頻控制技術，必須對變頻器故障進行監測[9-10]；對減速器的油箱油位、油箱油溫、輸入軸溫度、輸出軸溫度及冷卻水溫度進行監測的油位傳感器、油溫傳感器、溫度傳感器。

表1 刮板輸送機物理模型傳感器類型

2 協同控制方案設計及實現

2.1 系統方案

刮板輸送機協同控制方案系統設計框圖，如圖1所示。刮板輸送機由采煤機、液壓支架協同完成控制。刮板輸送機協同控制的前提條件是自身設備姿態正常，由安裝在刮板輸送機機身的前后電機繞組溫度傳感器、油箱油溫油位傳感器、冷卻水流量傳感器、減速器軸溫度傳感器及變頻器故障傳感器等檢測完成。上述傳感器數據正常后由核心控制器綜合采煤機運行狀態、液壓支架位置狀態協同完成刮板輸送機的自動對直及自適應調節運行速度。刮板輸送機對直時需對應的液壓支架進行推溜操作，推溜距離為一個步距，推溜效果直接關系到刮板輸送機的對直。刮板輸送機運行速度需要與采煤機的落煤量自適應匹配，采煤機落煤量增大時，需提高刮板輸送機的運行速度；當采煤機落煤量減小時，應減速，以減少刮板輸送機空載、輕載運行時間，節約電能，提高運行效率。另外，為保證刮板輸送機穩定運行，還需進行刮板輸送機鏈條張緊力的自適應調節，防止出現斷鏈、卡鏈等故障，影響綜采工作面生產效率。

圖1 刮板輸送機協同控制方案系統設計框圖

2.2 系統實現

刮板輸送機協同控制方案系統基于EPEC控制器并采用ST編程語言實現。協同控制方案硬件設計時需進行傳感器、模擬量隔離柵、通信隔離柵、電源、變頻器、電機、減速器等硬件選型。還需完成EPEC控制器的電氣原理圖設計、管腳分配等。表2所示為刮板輸送機協同控制方案硬件系統設計EPEC控制器I/O點分配方案。

表2 刮板輸送機協同控制方案硬件EPEC控制器I/O點分配

硬件系統搭建完成后，根據EPEC控制器管腳分配進行協同控制方案軟件編程。軟件編程時，根據刮板輸送機工藝流程及實現的功能進行模塊劃分，并基于模塊思想進行編程。刮板輸送機協同控制方案軟件模塊主要劃分為初始化模塊、傳感器數據采集及處理模塊、自適應對直模塊、自適應速度調節模塊、故障處理模塊及上位機數據處理模塊等。圖2所示為刮板輸送機自適應速度調節模塊程序處理流程。系統上電并完成初始化工作后，首先檢測刮板輸送機鏈條張緊力并通過機尾收縮、機尾伸出調試至合適位置。接著檢測負荷大小并調節機頭、機尾電動機的輸出頻率。上述過程每100 ms循環執行一次。

圖2 刮板輸送機自適應速度調節模塊程序處理流程

3 結語

刮板輸送機協同控制方案能夠解決長時間空載、輕載的問題，可根據負載實時調節刮板輸送機帶速，達到節約電能的目的。同時，與液壓支架協同配合，使得推溜的步距保持在設定誤差范圍內，保證刮板輸送機對直，為采煤機提供工況較好的運行軌道，促進綜采工作面“三機”設備高效率工作。