鄭華華

（山西華陽集團新能股份有限公司一礦機電工區(qū)，山西 陽泉 045008）

引言

國內煤炭賦存以井工煤礦形式為主，露天礦的占比較小。井工煤礦地質條件復雜、開采難度較大、瓦斯突出等安全隱患嚴重，自動化、智能化、少人化開采的需求更加迫切。隨著我國煤礦井下機械化、自動化程度的不斷提高，對采煤設備的協(xié)同控制、自動化控制的需求不斷增加[1-2]，國內各大科研院所、大專院校借鑒國外研究成果，理論結合實際，對采煤設備的協(xié)同控制技術展開深入研究，取得一系列研究成果，并運用于煤礦井下生產實踐。刮板輸送機設備研究方面，國內的刮板輸送機正在由產品單一化逐漸向產品多樣化、系列化及模塊化方面發(fā)展，以滿足煤礦井下不同工況、不同地質條件的需求。文獻[3]為及時發(fā)現(xiàn)并解決刮板輸送機減速器故障，利用改進的螢火蟲算法神經網絡控制方案，對減速器故障進行準確預測和診斷。文獻[4]針對薄煤層用刮板輸送機進行系統(tǒng)設計和改進，使其能夠適應“三角煤”工況。文獻[5]在分析刮板輸送機結構特點、工作原理、協(xié)同工作機制的基礎上，分析并建立綜采裝備的物理傳感體系和協(xié)同控制模型，將多傳感器信息融合技術與姿態(tài)協(xié)同控制相結合，利用Matlab進行仿真并完成綜采裝備的姿態(tài)協(xié)同控制、性能協(xié)同控制工業(yè)試驗，驗證了所提協(xié)同控制方法的可行性和先進性，實際解決了綜采工作面綜采裝備人工控制連續(xù)性差、生產效率低的問題。本文以刮板輸送機控制系統(tǒng)為研究對象，綜合考慮采煤機、液壓支架，設計基于EPEC控制器的協(xié)同控制方案。

1 刮板輸送機功能與物理模型

1.1 功能

刮板輸送機的功能主要如下：輸送采煤機截割的煤料，并傳送至轉載破碎機；作為采煤機的運行軌道，使得采煤機能夠沿綜采工作面進行往復割煤運動；作為液壓支架推溜的支點，使得采煤機、液壓支架、刮板輸送機行進一個步距。

綜采工作面“三機”設備工作時，刮板輸送機需與采煤機、液壓支架密切配合，協(xié)同完成采煤、運煤任務。刮板輸送機需保持對直，否則會出現(xiàn)采煤機無法割煤或采煤機截割電機功率不夠的情況，影響綜采工作面采煤效率。刮板輸送機對直時，還與液壓支架關系密切，由液壓支架進行推溜動作，將刮板輸送機沿工作面方向推進一個步距[6-8]。

1.2 物理模型

為實時監(jiān)測綜采工作面刮板輸送機運行狀態(tài)，保證刮板輸送機正常、連續(xù)、穩(wěn)定運行，同時完成與采煤機、液壓支架的協(xié)同控制，安裝的關鍵傳感器元件見表1。在刮板輸送機機頭、機尾安裝溫度傳感器，用于監(jiān)測電動機的繞組溫度、軸承溫度；流量傳感器用于監(jiān)測用于電動機冷卻的冷卻水流量；壓力傳感器用于監(jiān)測用于電動機冷卻水的壓力。刮板輸送機機頭、機尾電動機采用變頻控制技術，必須對變頻器故障進行監(jiān)測[9-10]；對減速器的油箱油位、油箱油溫、輸入軸溫度、輸出軸溫度及冷卻水溫度進行監(jiān)測的油位傳感器、油溫傳感器、溫度傳感器。

表1 刮板輸送機物理模型傳感器類型

2 協(xié)同控制方案設計及實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)方案

刮板輸送機協(xié)同控制方案系統(tǒng)設計框圖，如圖1所示。刮板輸送機由采煤機、液壓支架協(xié)同完成控制。刮板輸送機協(xié)同控制的前提條件是自身設備姿態(tài)正常，由安裝在刮板輸送機機身的前后電機繞組溫度傳感器、油箱油溫油位傳感器、冷卻水流量傳感器、減速器軸溫度傳感器及變頻器故障傳感器等檢測完成。上述傳感器數據正常后由核心控制器綜合采煤機運行狀態(tài)、液壓支架位置狀態(tài)協(xié)同完成刮板輸送機的自動對直及自適應調節(jié)運行速度。刮板輸送機對直時需對應的液壓支架進行推溜操作，推溜距離為一個步距，推溜效果直接關系到刮板輸送機的對直。刮板輸送機運行速度需要與采煤機的落煤量自適應匹配，采煤機落煤量增大時，需提高刮板輸送機的運行速度；當采煤機落煤量減小時，應減速，以減少刮板輸送機空載、輕載運行時間，節(jié)約電能，提高運行效率。另外，為保證刮板輸送機穩(wěn)定運行，還需進行刮板輸送機鏈條張緊力的自適應調節(jié)，防止出現(xiàn)斷鏈、卡鏈等故障，影響綜采工作面生產效率。

圖1 刮板輸送機協(xié)同控制方案系統(tǒng)設計框圖

2.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

刮板輸送機協(xié)同控制方案系統(tǒng)基于EPEC控制器并采用ST編程語言實現(xiàn)。協(xié)同控制方案硬件設計時需進行傳感器、模擬量隔離柵、通信隔離柵、電源、變頻器、電機、減速器等硬件選型。還需完成EPEC控制器的電氣原理圖設計、管腳分配等。表2所示為刮板輸送機協(xié)同控制方案硬件系統(tǒng)設計EPEC控制器I/O點分配方案。

表2 刮板輸送機協(xié)同控制方案硬件EPEC控制器I/O點分配

硬件系統(tǒng)搭建完成后，根據EPEC控制器管腳分配進行協(xié)同控制方案軟件編程。軟件編程時，根據刮板輸送機工藝流程及實現(xiàn)的功能進行模塊劃分，并基于模塊思想進行編程。刮板輸送機協(xié)同控制方案軟件模塊主要劃分為初始化模塊、傳感器數據采集及處理模塊、自適應對直模塊、自適應速度調節(jié)模塊、故障處理模塊及上位機數據處理模塊等。圖2所示為刮板輸送機自適應速度調節(jié)模塊程序處理流程。系統(tǒng)上電并完成初始化工作后，首先檢測刮板輸送機鏈條張緊力并通過機尾收縮、機尾伸出調試至合適位置。接著檢測負荷大小并調節(jié)機頭、機尾電動機的輸出頻率。上述過程每100 ms循環(huán)執(zhí)行一次。

圖2 刮板輸送機自適應速度調節(jié)模塊程序處理流程

3 結語

刮板輸送機協(xié)同控制方案能夠解決長時間空載、輕載的問題，可根據負載實時調節(jié)刮板輸送機帶速，達到節(jié)約電能的目的。同時，與液壓支架協(xié)同配合，使得推溜的步距保持在設定誤差范圍內，保證刮板輸送機對直，為采煤機提供工況較好的運行軌道，促進綜采工作面“三機”設備高效率工作。