＊彭 虎

（山煤國際能源集團股份有限公司 山西 030000）

前言

隨著科學技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，如今綜采工作面也正逐步實現(xiàn)自動化發(fā)展。在此進程中，采煤機控制系統(tǒng)作為重要組成部分，井下環(huán)境濕度大、粉塵大、通風不良，其在應用中面臨著工作環(huán)境惡劣、自動化程度較低、控制能力不足等問題，對企業(yè)經(jīng)濟效益和安全生產(chǎn)造成干擾[1-2]?；诂F(xiàn)有研究成果，當前采煤機控制系統(tǒng)的主要研究方向為高度自動化、提高可靠性等，參考現(xiàn)有研究趨勢，結(jié)合采煤機總體結(jié)構(gòu)及工作流程，介紹一種采煤機結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設計方案，為現(xiàn)有采煤機控制系統(tǒng)設計提供參考，將可發(fā)揮一定的理論價值和現(xiàn)實價值[3-4]。通過對關(guān)鍵部件進行自動保護設計、設置在線檢測、遠程記憶監(jiān)控、聯(lián)動功能等。提高采煤機自動化水平。

1.采煤機總體結(jié)構(gòu)及工作流程

以MG650/1630-GWD型交流電牽引采煤機為例，采煤機的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 采煤機總體結(jié)構(gòu)

采煤機主要工作流程如下：采煤機開始采煤作業(yè)流程史，首先，前滾筒予以上升，后滾筒進行下降，然后，對運輸機進行適當移動，把支架推進至距端頭約20m左右區(qū)域，開始作業(yè)。持續(xù)至下一次進道開采作業(yè)；當采煤機到達下一個采煤行程時，前滾筒予以上升，后滾筒進行下降，運輸機、支架移動。作業(yè)過程中，采煤機到達下順槽采煤行程；前滾筒上升、后滾筒下降，擋煤板調(diào)整，使得采煤機方便上順槽作業(yè)，重復上述作業(yè)流程。

2.采煤機主要部件選型

(1)牽引機構(gòu)和牽引電機選型

牽引機構(gòu)主要構(gòu)成為左右牽引部、左右行走箱，分別置于采煤機框架兩側(cè)。牽引部各配置電機1臺，與牽引機構(gòu)通過花鍵軸相連，動力經(jīng)行星機構(gòu)傳遞輸出至行走輪，從而實現(xiàn)截割部行走。綜合計算分析后，確認交流牽引電機采用ABB公司生產(chǎn)的ACS800系列變頻器驅(qū)動的75kW交流牽引電機，具體控制過程中PLC經(jīng)由變頻器實現(xiàn)電機的保護及控制。

(2)截割機構(gòu)和截割電機選型

截割機構(gòu)主要包括搖臂和滾筒兩部分。設計中左右搖臂均采用直搖臂，方便左右搖臂配置互換使用。左右搖臂內(nèi)部各配置1臺截割電機，經(jīng)由傳動機構(gòu)將動力傳輸給法蘭機構(gòu)，由法蘭機構(gòu)帶動傳動滾筒實施煤巖截割作業(yè)。綜合分析確認截割電機輸出功率為650kW。

(3)液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選型

液壓機構(gòu)主要通過泵送電機帶動雙聯(lián)齒輪泵運行，而雙聯(lián)齒輪泵主要由高低壓油路共同組成，實際運行中電磁閥可通過控制低壓油路實現(xiàn)高壓油路驅(qū)動效果，進而達成滾筒升降調(diào)節(jié)。設計中低壓油路主要采用低壓溢流閥調(diào)節(jié)，在采煤機滾筒不動作時，低壓油路的工作壓力為2MPa，并在液壓油返回油池前液壓油壓力不發(fā)生改變。

3.采煤機控制系統(tǒng)設計

(1)總體架構(gòu)設計

采煤機控制系統(tǒng)總體設計架構(gòu)如圖2所示。

圖2 采煤機控制系統(tǒng)總體架構(gòu)設計示意圖

采煤機控制系統(tǒng)主要硬件設備均配置在防爆電控箱內(nèi)部，具體硬件設備包括高壓開關(guān)柜、變壓器箱以及變頻器箱等。

①高壓開關(guān)柜：主要用于實現(xiàn)采煤機電源分配及開關(guān)控制。內(nèi)部配置有高壓隔離開關(guān)，可實現(xiàn)采煤機手動供電切斷以及停機檢修時手動切斷。另外，高壓開關(guān)內(nèi)配置控制變壓器，可將3.3kV高壓電源轉(zhuǎn)換層110V交流電和150V交流電，為用電設備提供電源供應。截割電機配置電流互感器，用于采集截割電機運行中電流數(shù)據(jù)，實現(xiàn)電流保護。

②變壓器箱：采煤機的牽引電機額定電壓為460V，控制牽引電機額定電壓為460V，采煤機供電電壓為3.3kV，為保障整個采煤機系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性，需要為系統(tǒng)配置1臺變壓器，該變壓器可將3.3kV電壓轉(zhuǎn)換為460V電壓，以滿足采煤機系統(tǒng)供電需求。

③變頻器箱：主要用于實現(xiàn)采煤機控制。內(nèi)部配置有PLC設備，所有采集運行信號均由PLC進行分析處理，處理后的數(shù)據(jù)信息對比預設參數(shù)后形成控制信號和保護信號，以此實現(xiàn)采煤機控制及保護效果。另外，設計中配置2臺變頻器（主、從各一臺），對左右牽引電機分別控制，變頻器間通過1根光線達成數(shù)據(jù)交互，并且直接與PLC相連，經(jīng)由變頻器實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制。

(2)控制器選型

采煤機控制系統(tǒng)的控制器是指PLC設備。綜合市場上現(xiàn)有的PLC設備，結(jié)合煤礦井下PLC控制的抗干擾性強、可靠性高、隔爆性能優(yōu)等要求，最終選用歐姆龍CP1H系列的CP1H-40TW-A型PLC。此PLC可額外擴展7個單元模塊，結(jié)合7段LED顯示設備，可將數(shù)據(jù)信息實時顯示在LED顯示屏，降低高性能顯示屏的應用需求。另外此PLC的數(shù)據(jù)處理性能較強，并內(nèi)置有320點開關(guān)量，所支持的編程語言較為簡單方便，可根據(jù)需求進行具體配置，符合本設計的實際需求，因此選用此PLC作為核心控制器。

(3)控制系統(tǒng)軟件設計

①記憶截割控制程序。記憶截割控制程序主要包括示范模式、跟蹤模式兩種控制模式。其中示范模式需要工作人員手動控制采煤機運行，并在此過程中為采煤機控制系統(tǒng)提供控制數(shù)據(jù)、控制操作支持；跟蹤模式則分為自動控制模式和人工控制模式兩部分[5]。自動控制模式是根據(jù)示范模式中的控制操作實施系統(tǒng)自動化控制操作；人工控制模式則是工作人員根據(jù)現(xiàn)場工作狀態(tài)對自動控制模式進行微調(diào)處理。具體記憶截割控制流程如圖3所示。

圖3 記憶截割控制流程

②滾筒調(diào)高控制。根據(jù)傳感器設備所采集的數(shù)據(jù)信息，對比預定數(shù)據(jù)與采煤機工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，對比兩者之間的數(shù)據(jù)誤差，通過PLC設備向變頻器下達指令，通過電磁閥控制采煤機滾筒高度。

③監(jiān)控畫面設計。監(jiān)控畫面通過與PLC配套的顯示屏展示，畫面設計采用CX-Designer軟件。主要板塊含有數(shù)據(jù)運行、截割顯示、自控采高及實施采高對比數(shù)據(jù)、故障報警、參數(shù)設置等多種畫面。

4.采煤機控制系統(tǒng)的工業(yè)性應用實踐

采煤機控制系統(tǒng)工程應用實踐地點位于某礦工作面，頂板為中細砂巖、底板粉砂巖，工作面長寬依次為800m、180m，可開采煤層平均厚度為4.5m，煤層傾角為2°。具體實踐中采煤機正常截割時，人為控制截割負載，將截割電流調(diào)整至額定截割電流的1.1倍，持續(xù)10s，運行15s后控制采煤機減速，并實施多次運行控制。調(diào)整好設備后，采用自動控制，所得預期控制采高與實際采高數(shù)據(jù)對比結(jié)果如圖4所示。

圖4 預期控制采高與實際采高數(shù)據(jù)對比結(jié)果

結(jié)合對比結(jié)果可知，實際采高與預期控制采高差異較小，確認采煤機控制系統(tǒng)可滿足采煤機基本控制要求。自動控制可降低人工成本、設備檢修成本，提高采煤效率。

5.結(jié)束語

綜上所述，基于采煤機總體結(jié)構(gòu)及工作流程，合理實施采煤機主要部件選型和控制系統(tǒng)設計。具體設計內(nèi)容包括采煤機結(jié)構(gòu)設計與主要部件選型、采煤機控制系統(tǒng)設計兩部分內(nèi)容，相關(guān)設計經(jīng)過某煤礦工程應用實踐后確認可滿足采煤機基本控制要求。采用自動控制系統(tǒng)后，采煤機操作人員由原來每班4人，減少為每班3人，每天人工成本減少3人，勞動強度下降，設備故障率降低（搖臂損壞一次，直接費用75萬元），采煤效率提高5%，經(jīng)濟效益可觀?？勺鳛楹罄m(xù)采煤機控制系統(tǒng)設計和采煤機結(jié)構(gòu)部件選型的參考設計。

改進后的采煤機多個機械部位安裝傳感器，依靠傳感器對數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，從而實現(xiàn)采煤機自控割煤和遠程控制。若傳感器故障，會造成采煤機部分功能缺失，對傳感器要求較高。未來需要更加可靠的監(jiān)測技術(shù)來對采煤機自動控制進行革新。