王振東

（晉能控股煤業(yè)集團燕子山礦，山西 大同 037037）

引言

煤炭開采作為勞動密集型產(chǎn)業(yè)，在綜采掘進過程中存在著綜采效率低、安全性差的不足，嚴重影響了煤礦的產(chǎn)業(yè)升級[1]。采煤機是煤礦井下綜采作業(yè)的核心，但目前國內(nèi)多數(shù)采煤機均采用了人工控制模式，在截割作業(yè)過程中受操作人員的經(jīng)驗影響無法實現(xiàn)對截割作業(yè)過程的監(jiān)測，導(dǎo)致采煤機截割作業(yè)穩(wěn)定性差、故障率高，制約了井下綜采作業(yè)效率的進一步提高。因此，提出了一種優(yōu)化的采煤機智能控制系統(tǒng)并展開分析。

1 采煤機智能控制系統(tǒng)

采煤機主要包括機身、進給驅(qū)動機構(gòu)、截割驅(qū)動機構(gòu)、截割滾筒等部分，在截割作業(yè)過程中由控制系統(tǒng)輸出控制信號，控制搖臂上下擺動完成截割作業(yè)。截割滾筒在截割到不同的煤層時因煤層硬度不同會導(dǎo)致截割載荷突變，若不及時調(diào)整截割狀態(tài)會導(dǎo)致截割電機燒毀等。因此該智能控制系統(tǒng)在實現(xiàn)采煤機截割作業(yè)自動化的過程中加入了截割經(jīng)濟性判斷邏輯，在截割載荷突變后自動對截割轉(zhuǎn)速、采煤機進給速度等進行分析，獲取最佳的截割參數(shù)，在確保截割安全性的前提下有效提升截割作業(yè)效率，該采煤機智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示[2]。

圖1 采煤機智能截割控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由于采煤機長期在煤礦井下高濕、高塵的環(huán)境中工作，因此要求控制系統(tǒng)和各類傳感器設(shè)備具有較高的穩(wěn)定性，同時還要考慮到對掘進機控制系統(tǒng)改造的經(jīng)濟性和可行性。通過對多種控制方案的對比，最終選擇了以PLC 作為該智能控制系統(tǒng)的“大腦”，以數(shù)字通信模塊來對采煤機運行過程中的各類數(shù)據(jù)信號進行采集、存儲和分析。同時該控制模塊還要滿足高擴展性的需求，便于后續(xù)的升級和更新，PLC 采用S7-300型，不僅具有多種標準協(xié)議接口，而且還具有高可靠性。各類傳感器設(shè)備在布置時需要考慮防止落石沖擊的影響，在上側(cè)需要設(shè)置防落石擋板。

2 截割及牽引控制系統(tǒng)

采煤機的牽引系統(tǒng)和截割系統(tǒng)雖然分離，但實際工作過程中截割阻力的大小和截割速度、牽引速度均密切相關(guān)，因此需要對截割系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)進行聯(lián)合控制，滿足聯(lián)動運行控制需求。由于煤礦井下地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，采煤機的作牽引電機和右牽引電機在工作過程中極易出現(xiàn)牽引負荷不平衡而導(dǎo)致的電機損壞情況，因此在該控制系統(tǒng)中，提出了一種新的以電機輸出轉(zhuǎn)矩平衡為核心的牽引負載調(diào)節(jié)系統(tǒng)[3]，將左牽引電機和右牽引電機的控制變頻器之間采用modbus 通信協(xié)議連接，將左、右電機的輸出轉(zhuǎn)矩作為控制輸入量，根據(jù)兩者之間的差值實時調(diào)節(jié)對應(yīng)牽引電機的變頻器，滿足功率平衡的控制需求。

對采煤機截割機構(gòu)的控制，主要是利用截割負載反饋理論，作用在截割機構(gòu)上的載荷變化會導(dǎo)致截割電機截割電流的變化和執(zhí)行油缸的壓力變化，因此通過對截割電流和油缸壓力的監(jiān)測即可獲取截割負載變化情況，通過提前對不同截割載荷下截割轉(zhuǎn)速、牽引速度的相互關(guān)系進行分析，獲取不同截割載荷下的最佳匹配速度，將其輸入到控制系統(tǒng)中，在截割作業(yè)過程中即可實現(xiàn)最佳控制

3 采煤機調(diào)高控制系統(tǒng)

對采煤機調(diào)高系統(tǒng)的控制主要通過記憶截割邏輯來實現(xiàn)，但由于煤礦井下作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，為了避免采煤機在截割作業(yè)過程中出現(xiàn)觸頂事故，在記憶截割控制邏輯的基礎(chǔ)上增加了一個防錯系統(tǒng)。當采煤機的截割滾筒接觸到頂板時會導(dǎo)致截割壓力瞬間增加，執(zhí)行油缸的工作壓力會同步增大，因此以油缸壓力為輸入控制信號，經(jīng)過數(shù)字量和模擬量的轉(zhuǎn)換，傳遞給控制中心，控制中心對壓力變化情況和持續(xù)時間進行分析，若油缸壓超過正常截割范圍且持續(xù)時間超過10 s，則系統(tǒng)就標定截割滾筒已經(jīng)觸頂，此時執(zhí)行機構(gòu)尚不能調(diào)整搖臂高度，系統(tǒng)再對此時執(zhí)行油缸的伸出長度進行分析，若判定油缸已經(jīng)伸出大部分，則判定滾筒已觸頂，系統(tǒng)發(fā)出高度調(diào)節(jié)信號，調(diào)整搖臂的高度。

該調(diào)高系統(tǒng)還具備記憶學(xué)習(xí)能力，對每次調(diào)節(jié)時的系統(tǒng)參數(shù)進行記錄，當下次出現(xiàn)類似情況時，系統(tǒng)自動進行匹配，若匹配合格則立刻判斷為觸頂并發(fā)出調(diào)節(jié)指令，從而加快調(diào)整速度，確保截割作業(yè)的安全性，該調(diào)高控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示[4]。

圖2 采煤機自動調(diào)高控制系統(tǒng)原理圖

4 應(yīng)用效果

對采煤機控制系統(tǒng)進行改造升級，投入使用后對前后的使用情況進行對比，結(jié)果表明優(yōu)化后采煤機的日進尺由45 m 提升到了53 m，比優(yōu)化前提升了17.8%，投入使用以來僅發(fā)生過2 次調(diào)高偏位情況，未出現(xiàn)過觸頂、電機損壞等異常，截割作業(yè)過程中的故障率降低了54.6%，顯著提升了煤礦井下綜采作業(yè)的效率和安全性。

5 結(jié)論

1）該智能控制系統(tǒng)以PLC 為“大腦”，以數(shù)字通信模塊來對采煤機運行過程中的各類數(shù)據(jù)信號進行采集、存儲和分析，實現(xiàn)了對采煤機作業(yè)過程的智能調(diào)節(jié)和控制。

2）以電機輸出轉(zhuǎn)矩平衡為核心的牽引負載調(diào)節(jié)系統(tǒng)，能夠根據(jù)電機輸出轉(zhuǎn)矩的差值實時調(diào)節(jié)對應(yīng)牽引電機的變頻器，滿足功率平衡的控制需求，避免出現(xiàn)電機損壞。

3）采煤機調(diào)高控制采用了雙重防錯系統(tǒng)，通過對油缸壓力、電機電流和油缸伸出量的分析，確定是否觸頂，安全性高，判斷精度好，同時兼有記憶學(xué)習(xí)功能，能夠顯著提升觸頂判斷的速度和準確性。

4）優(yōu)化后采煤機的截割效率比優(yōu)化前提升17.8%，截割作業(yè)過程中的故障率降低了54.6%。