丁文凱

（西山煤電西曲礦，山西古交030200）

引言

針對(duì)采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高控制系統(tǒng)的問(wèn)題，各專(zhuān)家學(xué)者進(jìn)行了深入探究，并提出了基于預(yù)測(cè)控制的采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)、采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)的模糊PID控制、基于虛擬儀器的采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)研究以及遺傳算法在采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高預(yù)見(jiàn)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用等觀點(diǎn)，其方法過(guò)于復(fù)雜且存在一定的滯后性。本文提出了基于PLC的采煤機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)理論，方法簡(jiǎn)單且可靠性高，在實(shí)際應(yīng)用中也取得了滿意的效果。

1 采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采煤機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中主要靠滾筒切割煤壁對(duì)煤礦井下的煤炭進(jìn)行開(kāi)采，因此要達(dá)到高產(chǎn)高效采煤的目的，就必須實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒地自動(dòng)調(diào)高，避免人工操作的滯后性引起滾筒損壞以及資源浪費(fèi)等問(wèn)題[1]。對(duì)于采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高控制系統(tǒng)原理的設(shè)計(jì)就是對(duì)采煤機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)與液壓調(diào)高系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。機(jī)械結(jié)構(gòu)方面主要包括采煤機(jī)的齒輪的嚙合參數(shù)及強(qiáng)度校核、軸及軸承的選用與校核、花鍵的選擇及其強(qiáng)度的校核、潤(rùn)滑及密封的良好性等內(nèi)容，而液壓部分則主要控制采煤機(jī)滾筒的自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)。

該系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究是在某高校的綜合實(shí)驗(yàn)室完成的，主要利用液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)其進(jìn)行聯(lián)合模擬實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可分別通過(guò)手動(dòng)模式和自動(dòng)模式對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行模擬加載，從而得到相應(yīng)的液壓缸特性指標(biāo)。而本文主要選擇自動(dòng)控制模式對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，從而完成本課題的實(shí)驗(yàn)研究目的。該系統(tǒng)的工作原理：在液壓主回路控制中，由系統(tǒng)配電柜給變頻器及相應(yīng)模塊供電，變頻器帶動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)則拖動(dòng)主泵轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)進(jìn)行供油。本文以電控方式舉例說(shuō)明工作原理，首先通過(guò)控制比例先導(dǎo)減壓閥在調(diào)整電壓的作用下去控制液控?fù)Q向閥，使其產(chǎn)生換向動(dòng)作，當(dāng)液控方向閥在左位時(shí)，液壓油會(huì)經(jīng)過(guò)液控?fù)Q向閥流入測(cè)試油缸的無(wú)桿腔內(nèi)，此時(shí)測(cè)試油缸在液壓油的作用下會(huì)左移；在加載回路中，首先給溢流閥設(shè)定一個(gè)壓力值，對(duì)比例溢流閥的輸入信號(hào)進(jìn)行控制，控制加載油缸活塞兩端的壓力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸的模擬加載，由于加載油缸右側(cè)處于高壓腔，所以控制液壓油就可以經(jīng)過(guò)對(duì)應(yīng)的單向閥組重新回到油箱；在補(bǔ)油回路中，控制液壓油直接經(jīng)過(guò)減壓閥，并通過(guò)對(duì)應(yīng)的單向閥組流入加載油缸的左側(cè)，即加載油缸的低壓腔部分，進(jìn)而給系統(tǒng)補(bǔ)充油量。當(dāng)液控方向閥在右位時(shí)，其系統(tǒng)的加載回路與補(bǔ)油回路與上述工作原理類(lèi)似，只是在方向上有所不同，此處不再重復(fù)闡述其工作過(guò)程。

在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中裝設(shè)了位移、壓力等各種傳感器，實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中，會(huì)收集到系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)各類(lèi)參數(shù)，從而傳給上位機(jī)顯示出來(lái)，還可以對(duì)重要數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，以便實(shí)驗(yàn)完成后對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其系統(tǒng)加載裝置的具體操作流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)加載裝置操作流程

利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)的總體流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制，下面主要分析本系統(tǒng)的一些功能：第一，可以完成系統(tǒng)的模擬加載。在本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上使用了比例溢流閥的加載方式，根據(jù)比例溢流閥的輸入信號(hào)來(lái)整定溢流壓力，控制加載油缸兩端的壓力，使其可以快速調(diào)節(jié)好加載力值。第二，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制模式。通過(guò)對(duì)比例先導(dǎo)減壓閥進(jìn)行控制和對(duì)兩個(gè)并聯(lián)減壓閥的合理操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)液控方向閥的開(kāi)啟與關(guān)閉控制，從而滿足系統(tǒng)所需的自動(dòng)控制模式。第三，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過(guò)采集位移、壓力等傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)加載油缸和測(cè)試油缸的運(yùn)動(dòng)軌跡及壓力的波動(dòng)情況，并將相關(guān)數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)，對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)、處理和分析等操作。第四，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用了變頻裝置[2]。當(dāng)需調(diào)節(jié)液壓缸的位置時(shí)，可以通過(guò)改變變頻器的輸出頻率值來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制系統(tǒng)的流量，達(dá)到調(diào)節(jié)位置的目的，順利完成模擬實(shí)驗(yàn)。

2 PLC控制系統(tǒng)及監(jiān)控設(shè)計(jì)

2.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是對(duì)采煤機(jī)電氣控制部分的選型設(shè)計(jì)和對(duì)PLC控制流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的自動(dòng)調(diào)高功能。其中對(duì)于電氣部分的選型主要包括對(duì)變頻器和各類(lèi)傳感器的選型，我們選用了ABB公司ACS800系列的ACS800-01-0070-3+P901型變頻器，輸入額定電壓380 V，頻率調(diào)節(jié)在0～50 Hz范圍內(nèi)，而與之配套的三相電機(jī)的額定功率為55 kW，其控制效率可高達(dá)97%；位移傳感器選用磁致伸縮線性位移傳感器，其型號(hào)為KYDM-LP1A4210-GB1200M1HB-WO，量程為0～1 200 mm，測(cè)量精度高達(dá)±0.01%；壓力傳感器選用比較通用類(lèi)型的且?guī)в袎毫Ρ肀P(pán)，其型號(hào)CYG1103型，壓力量程為0～40 MPa，測(cè)量精度為±0.25%，完全滿足實(shí)驗(yàn)要求。

一套完整的采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要可編程邏輯控制器（PLC）在其中扮演重要的角色。各類(lèi)傳感器收集到實(shí)時(shí)信號(hào)后，是沒(méi)有辦法直接傳給上位機(jī)進(jìn)行顯示和儲(chǔ)存的，傳感器的信號(hào)一般為模擬量，采集到的可能是電流信號(hào)（4～20 mA），也可能是電壓信號(hào)（0～5 VDC或者0～10 VDC），這時(shí)就需要PLC對(duì)其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的數(shù)值范圍以便上位機(jī)的顯示；除此之外，PLC在對(duì)變頻器的頻率進(jìn)行控制以及對(duì)比例先導(dǎo)減壓閥進(jìn)行控制等過(guò)程中都需要PLC的參與，因此可以說(shuō)PLC在整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中起著大腦的作用[3]。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采煤機(jī)的自動(dòng)調(diào)高監(jiān)控系統(tǒng)主要分為設(shè)備層、控制層和信息層。設(shè)備層主要是最底層設(shè)備，包括各種閥門(mén)、傳感器和電機(jī)；PLC在控制層中充當(dāng)著主要角色；組態(tài)軟件則是信息管理層的主要設(shè)備[4]。其各層次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 管理層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

上位機(jī)的監(jiān)控在整套系統(tǒng)中起著及其重要的作用，它在PLC處理完數(shù)據(jù)后，及時(shí)顯示給操作人員，給人以直接觀察和及時(shí)操作的功能。本次選用世紀(jì)星組態(tài)軟件，只需前期對(duì)各工藝流程進(jìn)行組態(tài)，當(dāng)調(diào)節(jié)好PLC與上位機(jī)的通訊功能后，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中只需打開(kāi)組態(tài)界面即可實(shí)現(xiàn)對(duì)各參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)該組態(tài)軟件還具備Web發(fā)布功能，即將重要數(shù)據(jù)發(fā)布到網(wǎng)頁(yè)上，各階層領(lǐng)導(dǎo)在遠(yuǎn)程端只需登錄相應(yīng)網(wǎng)址即可看到采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)過(guò)程中的相應(yīng)數(shù)據(jù)，同時(shí)還具有參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和故障報(bào)警等功能[5]。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)采煤機(jī)的自動(dòng)調(diào)高控制系統(tǒng)，從系統(tǒng)的加載裝置操作、電氣的選型和監(jiān)控系統(tǒng)等方面做了設(shè)計(jì)，并借助實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成了實(shí)驗(yàn)研究，取得了滿意的效果，相信對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用有較高的借鑒價(jià)值。

[1]李曉豁，李燁健，劉述明，等.基于預(yù)測(cè)控制的采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2012，21（4）：36-40.

[2]趙麗娟，李苗.采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)的模糊PID控制仿真[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，35（10）：1 075-1 080.

[3]雷儉，田慕琴.遺傳算法在采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高預(yù)見(jiàn)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2006（23）：186-188.

[4]曾慶良，許德山，等.基于虛擬儀器的采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)研究[J].中國(guó)礦業(yè)，2016，25（5）：129-133；137.

[5]高永新，張新鑫.采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù)，2016，35（5）：57-60.