劉 超

（山西焦煤汾西礦業(yè)集團設備修造廠，山西 介休 032000）

0 引 言

綜采工作面面內(nèi)采煤機、刮板輸送機相互配合完成煤炭截割、外運工作，實現(xiàn)采煤機、刮板輸送機協(xié)同控制，避免刮板輸送機出現(xiàn)堆煤對提高煤炭開采效率具有一定的促進意義[1-2]。為此，眾多的研究學者對采煤機、刮板輸送機協(xié)同控制展開研究，其中崔楠楠[3]提出采用傳感器監(jiān)測采煤機負載，并通過負載調(diào)整刮板輸送機運行，從而實現(xiàn)采煤機、刮板輸送機協(xié)同工作；高國強[4]根據(jù)負載自適應理論預測刮板輸送機載荷，并調(diào)控采煤機推進速度，避免刮板輸送機出現(xiàn)堆煤問題；疏禮春等[5]綜合視頻監(jiān)控、人員定位、煤流運輸監(jiān)測等技術(shù)，實現(xiàn)綜采工作面人員、設備的智能監(jiān)控，從而提高綜采設備間運行匹配程度。上述研究成果為提升采煤工作面綜采設備工作效率有一定的促進作用。文中就在以往研究成果基礎上[6-8]，針對山陽礦3501 綜采工作面采煤機、刮板輸送機負載不協(xié)調(diào)問題，提出依據(jù)刮板輸送機負載調(diào)整采煤機運行，充分利用綜采工作面內(nèi)已有設備構(gòu)建合理的采煤機、刮板輸送機調(diào)速系統(tǒng)，在一定程度上提升煤炭開采效率。

1 工程概況

山陽礦3501 綜采工作面開采3 采區(qū)首采工作面，回采的5 號煤層為發(fā)熱量高，低灰、低的優(yōu)質(zhì)動力煤。煤層埋深平均430 m，厚度在2.2~5.6 m 間，傾角平均2°~5°，受地質(zhì)構(gòu)造影響煤層賦存不穩(wěn)定性，煤層厚度變化較大。采面采用的采煤機型號為MG500/1140-GWD，采高2.5 ~ 5.5 mm，最大牽引速度7.8 m/min；液壓支架型號為ZY8000/25/55，支撐高度2.5~2.5 m；刮板輸送機型號為GZ-764/630，額定運量1 000 t/h。

正常情況下3501 綜采工作面采高為2.5 m，采煤機割煤速度為3.8 m/min，刮板輸送機可滿足采面運煤需要。在采面推進至280 m 位置，5 號煤層厚度由平均2.5 m 增加至5.0 m，考慮到采煤機采高、液壓支架支撐高度均可滿足要求，為了提高5 號煤資源回采率，采面采高逐漸由2.5 m 增加至5.0 m，隨著采面煤炭開采量的增加，刮板輸送機在使用過程中出現(xiàn)一定程度的堆煤、過載停機問題，制約采面高效生產(chǎn)。若臨時更換刮板輸送機不僅需要重新購置，而且設備更換會占用大量的回采時間；若保持采高不變則導致煤炭資源浪費。

為確保3501 綜采工作面高效回采，礦井對采煤機、刮板輸送機運行協(xié)同控制展開研究，提出通過監(jiān)測刮板輸送機負載調(diào)整采煤機割煤速度，從而在滿足刮板輸送機高效運輸基礎上實現(xiàn)采面高效回采。

2 調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 采煤機、刮板輸送機結(jié)構(gòu)及配合分析

采煤機結(jié)構(gòu)包括有截割部、牽引傳動部、電氣控制系統(tǒng)以及其他輔助裝置等。刮板輸送機是采面內(nèi)主要的運輸設備，具有截割強度高、機身矮、具有一定的彎曲度等特點，結(jié)構(gòu)包括有機頭、機尾及中部槽等。采煤機在刮板輸送機中部槽上往返運動，截割落煤通過刮板鏈運輸出采面。刮板輸送機為采煤機運行提供導向，且中部槽鉸接點與液壓支架連接，通過液壓支架投提供的推移力不斷隨著采面回采不斷前移，具體采煤機、刮板輸送機相互配合工作過程見圖1。

圖1 采煤機、刮板輸送機配合過程

2.2 速度協(xié)同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括有集中控制箱、PLC 控制器等，主要功能是對刮板輸送機負載、采煤機運行速度等進行監(jiān)測，根據(jù)刮板輸送機負載情況向采面煤發(fā)出速度調(diào)整指令，從而實現(xiàn)采煤機、刮板輸送機協(xié)同運行。

系統(tǒng)中PLC 控制器為核心組件，主要控制設備包括有巷道PLC、采煤機PLC、刮板輸送機PLC 以及組合開關(guān)等，PLC 全部為西門子S7-300。速度協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中集控箱為KXJ0.5-1140，該集中控制箱可采面內(nèi)無線網(wǎng)絡進行信息交互。具體采煤機、刮板輸送機協(xié)同控制系統(tǒng)控制流程見圖2。

2.3 協(xié)同調(diào)速控制系統(tǒng)運行原理

采煤機、刮板輸送機運行速度協(xié)同控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)處理等模塊。數(shù)據(jù)采集重要通過布置在采煤機、刮板輸送機上的傳感器實現(xiàn)，具體涉及傳感器包括有溫度傳感器、電流傳感器、軸編碼傳感器，通過傳感器可實時收集采煤機運行速度、位置，刮板輸送機運行溫度、電流、運輸速度等。

圖2 采煤機、刮板輸送機協(xié)同控制系統(tǒng)控制流程

由于綜采工作面內(nèi)設備繁多且環(huán)境惡劣，若采用傳統(tǒng)的有線傳輸方式雖然可滿足數(shù)據(jù)傳輸需要，但是液壓支架、刮板輸送機不斷推移，采煤機往返移動等均容易導致通信電纜破損，為此數(shù)據(jù)傳輸方式采用無線方式。具體是通過無線MESH 交換機構(gòu)建局域網(wǎng)，將各傳感器監(jiān)測信息先傳輸給機載PLC，后通過無線網(wǎng)速將信息傳輸給巷道內(nèi)PLC 及工控機進行數(shù)據(jù)處理分析。

巷道內(nèi)工控機根據(jù)傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)對刮板輸送機負載進行預測，隨后借助無線網(wǎng)絡將調(diào)速指令傳輸給采煤機PLC，通過PLC 提醒采煤司機調(diào)整采煤機運行速度，從而確保采煤機、刮板輸送機運行速度協(xié)同。

3 無線網(wǎng)絡構(gòu)建及刮板輸送機載荷監(jiān)測

3.1 無線網(wǎng)絡平臺構(gòu)建

傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸以及控制指令發(fā)送等均需要無線網(wǎng)絡傳輸。構(gòu)建的無線通信平臺是通過MESH 交換機將采煤機機載PLC、刮板輸送機機載PLC、巷道PLC、組合開關(guān)以及傳感器等間具有高效的信息通信能力。其中傳感器監(jiān)測獲取到的監(jiān)測數(shù)據(jù)先傳輸給機載PLC，后通過無線網(wǎng)絡進行傳輸。具體無線網(wǎng)絡平臺結(jié)構(gòu)見圖3。

無線網(wǎng)絡平臺傳輸應具有較強的可靠性、實時性以及同步性，因此傳輸協(xié)議采用西門子S7/TCP 協(xié)議，將各終端連接起來。選用的無線MESH 交換機型號為KJJ12 7000 本安型無線交換機，可在高粉塵、瓦斯以及高濕度等惡劣環(huán)境下可靠運行，傳輸速度可達到100/1 000 Mbps。在無線網(wǎng)絡有效傳輸距離在50 m 以上，為此，在綜采工作面布置3 個以太網(wǎng)接口，即可滿足采面無線傳輸需要。

圖3 無線網(wǎng)絡平臺結(jié)構(gòu)

3.2 刮板輸送機負載監(jiān)測系統(tǒng)

刮板輸送機負載監(jiān)測系統(tǒng)主要由機載PLC、傳感器等構(gòu)成，主要用以監(jiān)測刮板輸送機運行速度、負載，驅(qū)動電機電流、溫度，執(zhí)行本地操作控制以及閉鎖保護等功能。刮板輸送機機載PLC 結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 刮板輸送機機載PLC 結(jié)構(gòu)參數(shù)

為了實現(xiàn)對刮板輸送機載荷的實時預測，需要采用傳感器監(jiān)測刮板輸送機運行狀態(tài)及運行數(shù)據(jù)。傳感器主要作用是將收集到的刮板輸送機電動機溫度及電流、運行速度等轉(zhuǎn)換成電信號，從而將監(jiān)測對象與分析系統(tǒng)結(jié)合起來。因此，合理的選擇傳感器是實現(xiàn)采煤機、刮板輸送機協(xié)同控制的關(guān)鍵之一。

通過綜合比對分析，溫度傳感器型號確定為GWP200，該傳感器為插入式，可直接布置在刮板輸送機機頭位置，實時獲取電動機溫度；電流傳感器型號確定為LMZ-1，布置在刮板輸送機組合開關(guān)內(nèi)部，直接獲取電流參數(shù)；速度傳感器采用型號BQH24 軸編碼傳感器，將其布置在刮板輸送機、采煤機低速轉(zhuǎn)動軸中，通過脈沖計數(shù)法直接掌握采煤機、刮板輸送機運行速度。

4 應用效果分析

在巷道控制主機顯示屏上可直接顯示刮板輸送機實時載荷，當出現(xiàn)超載時即會向采煤機PLC 控制器發(fā)出信息，提醒采煤機司機降低回采速度。在3501綜采工作面采用文中所提采煤機和刮板輸送機速度協(xié)同控制系統(tǒng)后，采面未再出現(xiàn)由于采煤機采煤量過大而導致刮板輸送機堆煤過載嚴重過載停機問題。

5 結(jié) 論

1）通過監(jiān)測刮板輸送機運行情況、載荷等調(diào)整采煤機割煤速度，從而實現(xiàn)采煤機、刮板輸送機運行速度協(xié)同控制。

2）采用溫度、電流、速度等傳感器監(jiān)測刮板輸送機、采煤機運行情況，將監(jiān)測結(jié)果通過無線方式傳輸給巷道控制主機，控制主機依據(jù)監(jiān)測結(jié)果對刮板輸送機是否出現(xiàn)過載進行判定，當出現(xiàn)過載時向采煤機PLC 控制器發(fā)出指令，提醒采煤機司機降低割煤速度，從而實現(xiàn)采煤機、刮板輸送機運行速度協(xié)同。

3）現(xiàn)場應用后，3501 綜采工作面采煤機推進速度根據(jù)刮板輸送機載荷自動高效調(diào)整，現(xiàn)場取得較好應用效果。