原學(xué)新

(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)神農(nóng)煤業(yè)有限公司，山西 高平 048402)

0 引言

目前，隨著國家對煤炭資源的大量需求，越來越多的煤礦開采設(shè)備被應(yīng)用到煤礦中，采煤機(jī)是主要的開采設(shè)備，但由于煤礦環(huán)境的惡劣性，采煤機(jī)控制系統(tǒng)的各項(xiàng)性能也受到了影響，嚴(yán)重影響著采煤機(jī)的工作效率及作業(yè)安全，故采用先進(jìn)的控制技術(shù)，并將其應(yīng)用到現(xiàn)有采煤機(jī)控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制系統(tǒng)的升級優(yōu)化，提升采煤機(jī)工作效率。因此，結(jié)合采煤機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作環(huán)境情況，開展控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)，針對該系統(tǒng)中PLC控制器、傳感器設(shè)備、控制界面等關(guān)鍵部分進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，并現(xiàn)場應(yīng)用測試，以驗(yàn)證該系統(tǒng)的可靠性和綜合性能，對提高采煤機(jī)的工作效率和作業(yè)安全性具有較大作用。

1 采煤機(jī)結(jié)構(gòu)

隨著技術(shù)的不斷更新，采煤機(jī)的整體結(jié)構(gòu)需要不斷進(jìn)行優(yōu)化和性能提升，但其主要結(jié)構(gòu)基本保持不變。主要包括截割滾筒、搖臂、履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)、裝載機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)、電控系統(tǒng)等，其中，滾筒、搖臂是采煤機(jī)的主要結(jié)構(gòu)，主要負(fù)責(zé)對煤層進(jìn)行切割；采煤機(jī)上的刮板輸送機(jī)，承擔(dān)采落下來煤炭的運(yùn)輸，并通過電驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。通過機(jī)構(gòu)間的相互配合，快速完成對煤層的開采、運(yùn)輸。采煤機(jī)的應(yīng)用，可較大程度地提升煤層的開采效率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

結(jié)合現(xiàn)有采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，按照智能化礦井建設(shè)需要，對現(xiàn)有采煤機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行綜合性能的提升。在控制系統(tǒng)改進(jìn)后，主要對自動(dòng)切割系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)、人機(jī)顯示界面等方面進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。其整體結(jié)構(gòu)包括變頻器腔、配電腔、變壓器腔、高壓配電箱等幾大部分，如圖1所示。同時(shí)，從功能來上劃分，包括電氣控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等，分別分布在采煤機(jī)上的相應(yīng)位置。在切割電機(jī)方面，采用智能控制模塊，可通過設(shè)計(jì)的各類傳感器對電機(jī)的工作溫度、工作壓力、切割功率等參數(shù)進(jìn)行智能檢測，并將檢測的相關(guān)信號傳遞至PLC控制中心，其主要的傳輸通信采用CAN總線方式；PLC將檢測的各類信號經(jīng)過分析處理后，傳遞至相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并在顯示界面中進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。在該系統(tǒng)的動(dòng)力系統(tǒng)中，配備了切割電機(jī)、泵電機(jī)、裝載電機(jī)、斷路器、高壓配電裝置等，可為采煤機(jī)提供有效的驅(qū)動(dòng)電能及液壓動(dòng)力。而該系統(tǒng)中的控制核心部分則主要包括PLC、智能保護(hù)模塊、繼電器、軟啟動(dòng)模塊等，主要實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)各項(xiàng)功能的命令操作、智能保護(hù)及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控等功能。視頻監(jiān)控系統(tǒng)則主要包括攝像機(jī)、顯示器、電源等部分，能為采煤機(jī)操作人員提供較為直觀、準(zhǔn)確的視頻監(jiān)控效果。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局

3 控制系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.1 PLC匹配設(shè)計(jì)

在控制系統(tǒng)PLC匹配設(shè)計(jì)過程中，需結(jié)合采煤機(jī)的運(yùn)行工況進(jìn)行PLC輸入輸出點(diǎn)、存儲(chǔ)量、控制點(diǎn)數(shù)等參數(shù)的設(shè)計(jì)，所匹配的PLC需滿足采煤機(jī)工作過程中煤塵大、振動(dòng)幅度大、較大外界干擾影響等因素。因此，主要選用西門子的PLC控制器，其類型為赫斯墨PLC控制器，該控制器具有較高的振動(dòng)適用性、高沖擊性、較強(qiáng)的抗電磁干擾能力、溫度適應(yīng)范圍較廣，整體的防護(hù)等級達(dá)到IP67，較好地滿足該控制系統(tǒng)中開關(guān)量輸入輸出、模擬量輸入輸出、脈沖信號輸入等信息，并能通過CAN通信，對各類信號進(jìn)行快速、高質(zhì)量的傳輸。PLC的主要性能參數(shù)見表1。

表1 PLC控制器主要性能參數(shù)

3.2 傳感器設(shè)備匹配設(shè)計(jì)

在整個(gè)控制系統(tǒng)中，需設(shè)計(jì)多種類型規(guī)格的傳感器設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)不同運(yùn)行信息的信號采集，主要包括傾角傳感器、皮帶秤、旋轉(zhuǎn)編碼器、溫度傳感器、振動(dòng)傳感器等，其中，傾角傳感器選用CS-2TAS-06型號，主要安裝在切割臂上，實(shí)現(xiàn)對切割臂不同工作位置的信號采集及自動(dòng)定位，其采集精度可達(dá)±80°，并通過CAN總線方式進(jìn)行信號傳輸，有效滿足采煤機(jī)的使用需求。同時(shí)，設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)編碼器主要負(fù)責(zé)對采煤機(jī)切割深度的快速檢測，并通過CAN總線，將采集的信號輸出至控制器中，實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)切割位置、不同方向行動(dòng)等方面的控制。另外，選用皮帶秤主要負(fù)責(zé)對采煤機(jī)中煤礦運(yùn)輸量的檢測和顯示，并對所運(yùn)輸煤礦總量進(jìn)行不斷的累計(jì)求和計(jì)算。

3.3 控制界面設(shè)計(jì)

控制界面是整個(gè)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其較好的顯示界面，能有效地實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的全面監(jiān)控、控制等操作。能對采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速、煤層切割速度、機(jī)身振動(dòng)程度、電源運(yùn)行狀態(tài)、切割電機(jī)運(yùn)行參數(shù)等方向進(jìn)行全面顯示，其中，采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速顯示界面設(shè)計(jì)實(shí)際轉(zhuǎn)速及設(shè)置轉(zhuǎn)速等參數(shù)，可通過人工方式進(jìn)行參數(shù)的快速調(diào)節(jié)；而電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)顯示界面，則能對采煤機(jī)上主泵電機(jī)、副泵電機(jī)、皮帶輸送機(jī)等電機(jī)的工作電流、工作電壓、運(yùn)行功率、工作溫度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)變化曲線及數(shù)字化顯示，當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)突然中斷或異常運(yùn)行時(shí)，顯示界面中將會(huì)出現(xiàn)“？”符號，并發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警及閃爍提示，其顯示界面如圖2所示。

圖2 電機(jī)運(yùn)行顯示界面

4 系統(tǒng)測試

為進(jìn)一步驗(yàn)證其整體系統(tǒng)的綜合性能，必須進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)測試。在整個(gè)測試過程中，整套系統(tǒng)各項(xiàng)控制功能運(yùn)行正常，并能將采煤機(jī)上工作溫度、工作壓力、電機(jī)功率等關(guān)鍵信號參數(shù)在顯示界面中進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)，通過對控制命令的操作，能對采煤機(jī)不同切割位置、切割高度、煤礦運(yùn)輸量等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，且整體控制精度相對較高。同時(shí)，通過對顯示界面中的設(shè)置按鈕進(jìn)行功能設(shè)置和調(diào)整。在測試過程中，也對控制系統(tǒng)的電機(jī)故障、配電裝置故障、高溫報(bào)警故障等進(jìn)行測試，結(jié)果顯示，該控制系統(tǒng)能準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地對各類故障發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警提示，并將故障信息進(jìn)行故障分析及存儲(chǔ)。據(jù)現(xiàn)場測試人員分析，改進(jìn)后的采煤機(jī)控制系統(tǒng)具有更高的控制精度，能將采煤機(jī)檢測參數(shù)的誤差范圍縮小將近45%左右，且控制功能更加齊全。

5 結(jié)論

隨著煤礦領(lǐng)域技術(shù)水平的不斷提升，不斷加大對采煤機(jī)控制系統(tǒng)的升級完善，已成為當(dāng)下提高采煤機(jī)工作效率的重要發(fā)展方向。因此，以采煤機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析為基礎(chǔ)，開展了采煤機(jī)控制系統(tǒng)的總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)設(shè)計(jì)分析了該系統(tǒng)中關(guān)鍵部位，并對其進(jìn)行了現(xiàn)場測試驗(yàn)證，結(jié)果表明，改進(jìn)后的采煤機(jī)控制系統(tǒng)具有更高的控制精度，功能更加齊全，能較好地實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，得到了現(xiàn)場測試人員的一致好評。通過開展該控制系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，采煤機(jī)控制系統(tǒng)綜合性能和采煤工作效率顯著提升。