基于PLC的采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉曉鵬

（山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽泉045000）

引言

煤礦綜采工作面采煤機(jī)是“三機(jī)”核心設(shè)備之一，采煤機(jī)的運(yùn)行效率直接關(guān)系到綜采工作面的生產(chǎn)效率。因此，研究采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)成為亟需解決的問題，文獻(xiàn)[1-2]研究并分析了節(jié)能導(dǎo)向的煤礦機(jī)電設(shè)備協(xié)同控制技術(shù)，通過分析煤礦智能控制關(guān)鍵技術(shù)，如傳感器感知技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、實(shí)時定位技術(shù)及數(shù)據(jù)處理技術(shù)，結(jié)合煤礦綜采工作面機(jī)電設(shè)備實(shí)際生產(chǎn)特點(diǎn)和耗能數(shù)據(jù)，提出基于節(jié)能導(dǎo)向的綜采機(jī)電設(shè)備協(xié)同任務(wù)調(diào)度算法，并基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對其節(jié)能效果進(jìn)行云數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明，所提出的方案切實(shí)可行。文獻(xiàn)[3]研究了采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)協(xié)同運(yùn)行關(guān)系，建立協(xié)同位、姿監(jiān)測方法，重點(diǎn)分析了基于采煤機(jī)運(yùn)行軌跡的刮板輸送機(jī)豎直面形態(tài)監(jiān)測及水平面形態(tài)監(jiān)測方法，同時完成復(fù)雜工況下采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)協(xié)同監(jiān)測試驗(yàn)，所設(shè)計(jì)方法預(yù)測誤差率低、響應(yīng)速度快、預(yù)測時間短，可滿足實(shí)際工況應(yīng)用需要。文獻(xiàn)[4]為實(shí)現(xiàn)井下綜采工作面無人化、少人化目的，研究井下“三機(jī)”設(shè)備的系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律，利用慣性導(dǎo)航理論和無線傳感網(wǎng)絡(luò)理論，構(gòu)建INS/UWB協(xié)同定位模型，實(shí)現(xiàn)“三機(jī)”設(shè)備的協(xié)同調(diào)度優(yōu)化及沖突消解，并完成Matlab仿真。文獻(xiàn)[5]為解決綜采工作面設(shè)備自動化程度較低、協(xié)同控制性能較差的問題，提出綜采工作面設(shè)備協(xié)同推進(jìn)控制方法，并以Ethernet/IP通信協(xié)議作為數(shù)據(jù)傳輸平臺，經(jīng)工業(yè)試驗(yàn)，驗(yàn)證該方法能夠保證綜采工作面設(shè)備的有序工作、協(xié)同推進(jìn)，同時減少井下工作面人員的數(shù)量。本文以綜采工作面采煤機(jī)為研究對象，建立以PLC主從控制器、主從變頻器及CAN總線通信為核心的采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)。

1 采煤機(jī)概述

1.1 采煤機(jī)結(jié)構(gòu)

按照驅(qū)動模式，采煤機(jī)分為液壓型驅(qū)動采煤機(jī)和電驅(qū)型采煤機(jī)兩種，目前煤礦井下綜采工作面較常用的為電驅(qū)型采煤機(jī)。電驅(qū)型采煤機(jī)由行走子系統(tǒng)、調(diào)高子系統(tǒng)、截割子系統(tǒng)、牽引子系統(tǒng)及其他輔助機(jī)構(gòu)構(gòu)成。行走子系統(tǒng)控制采煤機(jī)在水平方向沿刮板輸送機(jī)運(yùn)行，由行走箱體、驅(qū)動輪及導(dǎo)向滑靴等組成，共同協(xié)調(diào)完成采煤機(jī)的行走功能；調(diào)高子系統(tǒng)控制采煤機(jī)在煤壁垂直方向調(diào)節(jié)前/后滾筒的高度，對煤壁進(jìn)行截割，由電氣控制單元、液壓控制單元、電磁閥、滾筒等組成，共同協(xié)調(diào)完成采煤機(jī)的調(diào)高功能；截割子系統(tǒng)控制采煤機(jī)對煤壁的截割，由左右截割電機(jī)、左右截割滾筒、左右搖臂及截割齒等組成，截割電機(jī)通過減速器將負(fù)載轉(zhuǎn)矩傳送至截割滾筒，帶動截割齒作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，進(jìn)而將煤塊采出。為保障截割電機(jī)連續(xù)運(yùn)行，在截割子系統(tǒng)中還安裝水冷系統(tǒng)，對截割電機(jī)進(jìn)行降溫處理[6-7]。同時，該截割系統(tǒng)還可對截割頭進(jìn)行噴水操作，以降低煤塵污染率。牽引子系統(tǒng)完成對采煤機(jī)水平方向沿刮板輸送機(jī)的水平運(yùn)動，為行走子系統(tǒng)提供電驅(qū)動力，由牽引電機(jī)、減速器、變頻器組成。牽引子系統(tǒng)的電氣控制器控制變頻器按照轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速模式驅(qū)動牽引電機(jī)運(yùn)行，并經(jīng)減速裝置后將轉(zhuǎn)矩傳送至齒軌輪，驅(qū)動采煤機(jī)前進(jìn)/后退。

1.2 采煤機(jī)功能

采煤機(jī)的功能主要有以下三個：一為以刮板輸送機(jī)為運(yùn)行軌道，完成往復(fù)運(yùn)動；二為沿綜采工作面豎直方向進(jìn)行滾筒的調(diào)高；三為截割系統(tǒng)驅(qū)動截割齒進(jìn)行螺旋運(yùn)動。

1.3 采煤機(jī)模型

為實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)與液壓支架、刮板輸送機(jī)的協(xié)同控制，需利用傳感器技術(shù)對采煤機(jī)各系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、故障信息及參數(shù)設(shè)置等數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取并實(shí)時監(jiān)測，為判斷采煤機(jī)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)、下一時刻運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行趨勢提供依據(jù)。為保證牽引電動機(jī)、截割電動機(jī)的正常運(yùn)行，需安裝電流、溫度傳感器，從而對其電動機(jī)的電流和溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。搖臂傾角傳感器用于測量采煤機(jī)前后滾筒搖臂的傾角，使其能夠更好地調(diào)整截割滾筒的位置。為能夠準(zhǔn)確定位采煤機(jī)的位置，安裝的紅外傳感器和位移傳感器監(jiān)測采煤機(jī)的相對位置與決定位置，經(jīng)協(xié)同控制器綜合判斷后，準(zhǔn)確定位采煤機(jī)的實(shí)時位置。另外，采煤機(jī)機(jī)身還安裝有速度傳感器，用于監(jiān)測采煤機(jī)的牽引速度；安裝機(jī)身傾角傳感器用于測量采煤機(jī)機(jī)身的偏移。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，控制核心為PLC 主、從控制器，用于處理采煤機(jī)傳感器數(shù)據(jù)、變頻調(diào)速數(shù)據(jù)及上位機(jī)、聲光報警、鍵盤輸入信號等。電驅(qū)型采煤機(jī)機(jī)身安裝左右牽引電機(jī)、破碎電機(jī)及截割電機(jī)，為實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)智能控制，需實(shí)時采集電機(jī)的電流、軸溫度、油溫、油位等信息，PLC 主控制器周期性地采集電流互感器、溫度傳感器、油溫傳感器、油位傳感器及瓦斯?jié)舛葌鞲衅鲾?shù)據(jù)。PLC 主控制器還需處理采煤機(jī)的變頻調(diào)速單元，由主、從變頻器組成，分別控制采煤機(jī)的左右牽引電機(jī)，實(shí)現(xiàn)“一對一”變頻驅(qū)動[8]。PLC 從控制器需處理安裝在采煤機(jī)機(jī)身的液晶顯示屏、聲光報警裝置及鍵盤輸入模塊，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)置參數(shù)、故障報警信息的實(shí)時監(jiān)控。鍵盤輸入模塊可實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)手動控制和應(yīng)急控制。采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)還配置智能遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，可實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制。采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)內(nèi)、外部通信都采用CAN 總線通信模式，以達(dá)到靈活、實(shí)時、高質(zhì)量的通信目的。

圖1 采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分為硬件、軟件兩部分，其中硬件部分由PLC 主從控制器、變頻器、各傳感器、CAN 總線通信隔離柵、模擬量隔離柵、DC24V電源模塊等組成。按照各器件的外接接線原理繪制電氣原理圖，并按照該圖進(jìn)行實(shí)際接線。硬件部分設(shè)計(jì)時需注意的問題如下：

1）電源接線時，需注意DC、AC 及電壓等級。

2）傳感器元件接線時需注意輸出信號是電流信號還是電壓信號及信號輸出范圍。

3）CAN 總線通信隔離柵接線時需考慮終端電阻[9]。

4）PLC 主控制器與主從變頻器接線時，需采用專用CAN 總線通信雙絞屏蔽電纜，保證CAN 總線通信質(zhì)量，降低變頻器電磁干擾。

采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)時，根據(jù)實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行軟件模塊劃分，即系統(tǒng)初始化模塊、數(shù)字量輸入信號延時處理模塊、模擬量處理模塊、CAN總線通信處理模塊、邏輯處理模塊、變頻調(diào)速模塊、電控系統(tǒng)自動控制與監(jiān)測模塊、故障報警處理模塊等。圖2 所示為采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)邏輯處理模塊軟件流程。采煤機(jī)智能控制模式分為現(xiàn)場控制、遠(yuǎn)程控制，每一種控制模式又分為自動控制、手動控制兩部分。手動控制時，可通過按鈕、鍵盤實(shí)現(xiàn)油泵控制、冷卻噴霧控制、截煤破碎及牽引[10]。自動控制時，可調(diào)用電控系統(tǒng)自動控制與監(jiān)測模塊并判斷主從控制器通信正常時，開始采煤機(jī)牽引、煤壁截割、油泵及冷卻系統(tǒng)控制。

圖2 采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)軟件邏輯處理模塊流程

3 應(yīng)用分析

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)的實(shí)用性和正確性，在某煤礦綜采工作面進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，試驗(yàn)周期為6 個月。試驗(yàn)所用的采煤機(jī)型號為MG110/265-BDW 矮型電驅(qū)采煤機(jī)，該采煤機(jī)的突出特點(diǎn)為機(jī)身矮、結(jié)構(gòu)緊湊、剛性好、工作效率高，其主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 MG110/265-BDW 矮型電驅(qū)型采煤機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

工業(yè)試驗(yàn)過程中，對該采煤機(jī)的運(yùn)行時間、左右牽引電機(jī)電流、破碎電機(jī)電流、截割電機(jī)電流等關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析后，發(fā)現(xiàn)采用該智能控制系統(tǒng)后，采煤機(jī)的運(yùn)行效率提高約70%，故障率降低51%，可實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)高效、智能、連續(xù)采煤。

4 結(jié)語

綜采工作面采煤機(jī)的智能化、信息化是提升綜采工作面智能化水平的關(guān)鍵一環(huán)，與液壓支架、刮板輸送機(jī)存在復(fù)雜的互鎖、聯(lián)動關(guān)系。本文研究了基于PLC 主、從控制器的采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)并取得了較好的實(shí)際應(yīng)用效果。在后續(xù)的研究中，需重點(diǎn)考慮采煤機(jī)與液壓支架、采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)的協(xié)同控制關(guān)系，進(jìn)一步提升煤礦綜采工作面的智能化、信息化、少人化水平。