采煤機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

申玉川

（山西陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)七元煤業(yè)有限責(zé)任公司機(jī)電運(yùn)輸部， 山西 壽陽(yáng) 045400）

引言

采煤機(jī)為綜采工作面的主要生產(chǎn)設(shè)備，其承擔(dān)著煤層的截割和落煤任務(wù)。目前，我國(guó)綜采機(jī)械設(shè)備和采煤技術(shù)不斷發(fā)展進(jìn)步，為實(shí)現(xiàn)綜采工作面的智能化生產(chǎn)奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。基于綜采工作面的智能化生產(chǎn)可有效代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工生產(chǎn)，在提升采煤效率的同時(shí)，還極大地提升了生產(chǎn)的安全性。其中，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的智能化生產(chǎn)，旨在確保采煤機(jī)能夠根據(jù)煤層變化以及其他不穩(wěn)定性因素進(jìn)行自動(dòng)化、自主控制[1]。本文重點(diǎn)對(duì)采煤機(jī)的自動(dòng)化、智能化控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)其效果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 采煤機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

目前，工作面的采煤機(jī)以電牽引采煤機(jī)為主，而且主要為雙滾筒采煤機(jī)，其結(jié)構(gòu)組成主要包括有左右截割滾筒、左右搖臂、牽引電機(jī)、截割電機(jī)、電氣控制箱以及破碎機(jī)等。采煤機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的主要功能為整機(jī)根據(jù)煤層地質(zhì)條件對(duì)截割電機(jī)、牽引電機(jī)進(jìn)行控制，從而達(dá)到對(duì)截割深度、截割高度、牽引速度和牽引方向等基本功能的控制。此外，基于采煤機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所采集到的數(shù)據(jù)與上位機(jī)的實(shí)時(shí)通信、顯示和存儲(chǔ)等功能[2]。具體可將采煤機(jī)自動(dòng)化控制功能總結(jié)如下:

1）采煤機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)能夠?qū)λ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行高速處理，并且為方便今后豐富擴(kuò)展功能，該控制系統(tǒng)具有豐富的接口；

2）實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)的基礎(chǔ)控制功能，即對(duì)采煤機(jī)截割部、牽引部以及采煤機(jī)實(shí)時(shí)工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、傳送、顯示和存儲(chǔ)等功能；

3）采煤機(jī)的自動(dòng)化控制功能，基于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)傳感器所采集數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，同時(shí)結(jié)合所采用的采煤工藝實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)搖臂的自動(dòng)調(diào)高，對(duì)采煤機(jī)牽引速度的自動(dòng)控制等，同時(shí)，基于地面調(diào)度室實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤密集的遠(yuǎn)程控制。

為保證上述功能的實(shí)現(xiàn)，所設(shè)計(jì)的采煤機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 采煤機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)硬件框圖

如圖1 所示，本文所設(shè)計(jì)的采煤機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)由雙DSP 處理組成。其中，TMS320F2812 控制器主要是對(duì)結(jié)合采煤機(jī)位置、姿態(tài)及其相關(guān)電機(jī)運(yùn)行等參數(shù)進(jìn)行分析的同時(shí)上傳至順槽遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)；TMS320F2812 控制器與TMS320F28335 控制器之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，得出對(duì)應(yīng)的采煤機(jī)控制指令。TMS320F2812 控制器主要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸（包括對(duì)監(jiān)控平臺(tái)和TMS320F28335控制器）、根據(jù)TMS320F28335 控制器得出的控制指令對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行控制；TMS320F28335 控制器的主要功能為結(jié)合所設(shè)計(jì)的采煤工藝流程和采煤機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)對(duì)采煤機(jī)得出控制指令并將指令發(fā)送至TMS320F2812 控制器[3]。

2 采煤機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)

采煤機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)包括硬件和軟件兩方面。對(duì)于硬件而言，一般自動(dòng)化控制系統(tǒng)均包括有數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)通信模塊以及數(shù)字量接口、模擬量接口模塊等，上述模塊與一般控制系統(tǒng)的模塊相近，本小節(jié)對(duì)硬件模塊的設(shè)計(jì)不做過(guò)多敘述。同時(shí)，很多學(xué)者均對(duì)采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高和牽引部的自動(dòng)調(diào)速進(jìn)行研究；換句話說(shuō)，采煤機(jī)在自動(dòng)調(diào)高和自動(dòng)調(diào)速方面功能的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)很成熟。因此，本節(jié)重點(diǎn)對(duì)采煤機(jī)自動(dòng)化控制技術(shù)與采煤機(jī)工藝相結(jié)合的實(shí)現(xiàn)。

本文所研究采煤工藝為當(dāng)前生產(chǎn)中應(yīng)用較為普遍的綜合機(jī)械化走向長(zhǎng)壁全部垮落法賭對(duì)應(yīng)的采煤方法。在實(shí)際生產(chǎn)中，該采煤工藝的一個(gè)循環(huán)主要包括有采煤機(jī)斜切進(jìn)刀工藝、采煤機(jī)割三角煤工藝、采煤機(jī)正常割煤工藝以及采煤機(jī)回到機(jī)頭斜切進(jìn)刀工藝四個(gè)階段[4]。

所謂采煤機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)與采煤工藝相結(jié)合具體指的是，控制系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前煤層條件和采煤機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行判斷，對(duì)其是否能夠進(jìn)入下一階段進(jìn)行判斷，直至完成整個(gè)工作面的生產(chǎn)，其對(duì)應(yīng)的自動(dòng)控制流程如圖2 所示。

圖2 采煤機(jī)自動(dòng)控制與采煤工藝的融合

如圖2 所示，通過(guò)對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并結(jié)合所讀取的狀態(tài)標(biāo)志位確定是否具備條件開(kāi)始斜切進(jìn)刀截割工藝；當(dāng)斜切進(jìn)刀截割工藝結(jié)束后，開(kāi)始三角煤截割工藝。當(dāng)三角煤截割完成后，標(biāo)志著采煤機(jī)進(jìn)入自動(dòng)截割狀態(tài)。

其中，在斜切進(jìn)刀截割環(huán)節(jié)中，其功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一為根據(jù)采煤機(jī)的實(shí)時(shí)斜切參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)條件對(duì)采煤機(jī)搖臂高度進(jìn)行計(jì)算并將其控制到指定高度；當(dāng)采煤機(jī)搖臂達(dá)到指定高度后，根據(jù)煤層條件計(jì)算牽引速度，避免由于牽引速度不合理導(dǎo)致電機(jī)燒毀和截割不到位等問(wèn)題。

3 采煤機(jī)自動(dòng)化控制功能的驗(yàn)證

本小節(jié)重點(diǎn)通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)采煤機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制功能進(jìn)行測(cè)試，所搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖3 所示。

圖3 采煤機(jī)自動(dòng)控制功能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下截割電流與牽引電機(jī)變頻器之間的關(guān)系如圖4 所示。

圖4 截割電機(jī)電流值與牽引電機(jī)變頻器頻率之間的關(guān)系曲線

由圖4 可知，當(dāng)截割電機(jī)電流值超出其上限值時(shí)，對(duì)應(yīng)牽引電機(jī)變頻器頻率減小，即采煤機(jī)的速度降低；當(dāng)截割電機(jī)電流值超出其下限值時(shí)，對(duì)應(yīng)牽引電機(jī)變頻器頻率增大，即采煤機(jī)的速度增加；當(dāng)截割電機(jī)電流值在合理范圍之內(nèi)時(shí)，對(duì)應(yīng)牽引電機(jī)變頻器頻率不變，即采煤機(jī)以當(dāng)前速度運(yùn)行。

自動(dòng)調(diào)高控制功能的驗(yàn)證結(jié)果如圖5 所示。

如圖5 所示，基于本文所設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，采煤機(jī)搖臂能夠根據(jù)煤層高度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，從而能夠保證煤炭的采出率，避免煤炭資源浪費(fèi)；而且，搖臂軌跡均略低于煤層高度，從而有效保護(hù)滾筒與巖層直接接觸。

圖5 采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高控制功能驗(yàn)證結(jié)果

4 結(jié)論

采煤機(jī)作為綜采工作面的主要生產(chǎn)設(shè)備，在煤礦生產(chǎn)中扮演著重要的角色。但是，當(dāng)前采煤機(jī)還未從真正意義上實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化生產(chǎn)[5]。因此，本文設(shè)計(jì)了一款可應(yīng)用于綜采工作面的采煤機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，具體總結(jié)如下：

1）本采煤機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)基于雙DSP 控制器實(shí)現(xiàn)，TMS320F2812 控制器主要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸（包括對(duì)監(jiān)控平臺(tái)和TMS320F28335 控制器）、根據(jù)TMS320F28335 控制器得出的控制指令對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行控制；TMS320F28335 控制器的主要功能為結(jié)合所設(shè)計(jì)的采煤工藝流程和采煤機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)對(duì)采煤機(jī)得出控制指令并發(fā)生至TMS320F2812 控制器。

2）通過(guò)驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠根據(jù)截割電機(jī)的實(shí)時(shí)電流對(duì)采煤機(jī)牽引速度進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)牽引速度與截割阻力之間的高度匹配。

3）通過(guò)驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠根據(jù)煤層高度對(duì)搖臂進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，在產(chǎn)生最大產(chǎn)煤量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)滾筒的保護(hù)。