滾筒采煤機(jī)智能化控制系統(tǒng)的設(shè)計

陳甲君

（杜兒坪礦抽采區(qū)管路隊， 山西 太原 030022）

引言

由于目前采煤機(jī)工作環(huán)境粉塵多、風(fēng)險高，工作人員勞動強(qiáng)度大，生產(chǎn)率低，對采煤機(jī)進(jìn)行自動化設(shè)計改造勢在必行。采煤機(jī)自動化改造能夠減少工作人員勞動強(qiáng)度的同時，也能加大煤炭產(chǎn)量。當(dāng)前，煤礦使用的采煤設(shè)備及工藝為綜合長臂機(jī)械采煤，采煤設(shè)備高速發(fā)展使采煤工作能夠?qū)崿F(xiàn)安全、高效、綠色生產(chǎn)。智能化、自動化以及先進(jìn)裝備制造工藝技術(shù)，使煤炭采煤機(jī)控制智能化成為現(xiàn)實(shí)。

1 總體方案的設(shè)計

1.1 采煤機(jī)系統(tǒng)控制主要結(jié)構(gòu)

依據(jù)綜采工作面實(shí)際工作情況以及需要，把采煤機(jī)智能控制監(jiān)控分成以下部分：手動控制模塊、采集信息模塊、PLC 控制器、執(zhí)行輸出模塊、自動控制模塊[1]，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)如1 圖。

1.2 系統(tǒng)控制設(shè)計

系統(tǒng)控制由相關(guān)傳感器、采集數(shù)據(jù)模塊、繼電設(shè)備、稱重傳感器、傾角測量傳感器、保護(hù)電機(jī)模塊、啟動控制模塊、鍵盤、PLC 組成，通過它們實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自動控制、監(jiān)視采煤機(jī)工況以及設(shè)備保護(hù)功能等。

1.2.1 模式控制

1）點(diǎn)動：主要是對液壓部分、傳輸部分、裝卸部分、切割頭部分等進(jìn)行點(diǎn)動工作，這一模式主要是為了對設(shè)備進(jìn)行調(diào)整。

2）單控：主要是對液壓部分、傳輸部分、裝卸部分、切割頭部分等進(jìn)行單項功能作業(yè)啟動，這一模式主要通過人工生產(chǎn)控制。

3）聯(lián)控：主要是對液壓部分、傳輸部分、裝卸部分、切割頭部分等進(jìn)行程序控制，這一模式主要通過智能自動控制。

1.2.2 軟、變頻啟動控制

由于采煤機(jī)運(yùn)行電機(jī)功率很大，需使用軟啟動或者變頻器啟動，可減少起動電流，減少對電網(wǎng)沖擊。軟啟動設(shè)備具備通訊能力，并配有485 通訊端口，具備Modbus 協(xié)議，這樣更有利于和控制組態(tài)進(jìn)行連接[2]。

1.2.3 電機(jī)保護(hù)智能化

皮帶電機(jī)、刮板電機(jī)、裝卸電機(jī)、泵電機(jī)等配有智能的保護(hù)裝置，通過CPU 對電機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，能應(yīng)對短路、漏電、欠壓、過壓、缺相、過電流等情況，同時具有遠(yuǎn)程通訊工控機(jī)的功能。

1.2.4 智能自動控制

1）安裝在切割臂上的傳感器通過通信接口和工控機(jī)進(jìn)行連接，通過對切割臂測量擺角，達(dá)到開采高度的監(jiān)視與控制。

2）在行走系統(tǒng)中安裝有流量計或者編碼器，通過與工控機(jī)進(jìn)行通信，從而達(dá)到智能模式下控制掘進(jìn)深度。

3）安裝在皮帶機(jī)上的傳感器有垂直、水平兩種檢測，通過和工控機(jī)進(jìn)行通信，達(dá)到皮帶機(jī)工作角度的控制與監(jiān)視。

4）安裝在皮帶機(jī)上的測重單元，通過和工控機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)時對皮帶機(jī)傳送的煤炭進(jìn)行流量、重量的檢測。

5）采煤機(jī)啟動程序。當(dāng)按下自動模式后，設(shè)備將按程序逐級對設(shè)備各部分進(jìn)行啟動，啟動程序為：液壓泵進(jìn)行啟動→切割臂進(jìn)行上升→到達(dá)上點(diǎn)→切割進(jìn)行啟動→皮帶機(jī)進(jìn)行啟動→刮板機(jī)進(jìn)行啟動→裝卸機(jī)進(jìn)行啟動→切割臂進(jìn)行下降→設(shè)定采煤工作高度值→循環(huán)采煤流程。

6）循環(huán)采煤流程。當(dāng)設(shè)備全部啟動完成后，設(shè)備將進(jìn)入循環(huán)采煤流程：設(shè)定采煤工作高度值→設(shè)定切割臂臥底值→切割臂上升→上升至設(shè)定的高度值→采煤機(jī)向前移動→到達(dá)切割設(shè)定深度值[3]。

1.2.5 監(jiān)控智能控制板

安裝于采煤機(jī)上的各種傳感器主要是對采煤機(jī)作業(yè)姿態(tài)、掘進(jìn)環(huán)境、機(jī)械聯(lián)動部位、電氣控制設(shè)備進(jìn)行檢測，從而為智能采煤機(jī)控制提供必要的參數(shù)值。系統(tǒng)CAN 總線將各數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦た貦C(jī)，這樣能夠便于工控機(jī)對當(dāng)前采煤機(jī)位置、姿態(tài)、參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。采煤機(jī)工控機(jī)主要包含的重要參數(shù)為：輸入模擬信號、開關(guān)信號、脈沖信號、備用繼電信號、通信總線與系統(tǒng)智能化的通信。根據(jù)控制對象不同分為：工作狀態(tài)監(jiān)控板、系統(tǒng)液壓監(jiān)控板、傳動機(jī)械控制板、系統(tǒng)電氣控制板等。

液壓系統(tǒng)控制板由溫度、壓力、油位等傳感器組成。壓力測量傳感器主要是測量進(jìn)油口、出油口的壓力，當(dāng)測量進(jìn)油口、出油口的壓力值過大時，說明液壓油路出現(xiàn)堵塞的現(xiàn)象，當(dāng)測量進(jìn)油口、出油口的壓力值過小時，說明液壓油路出現(xiàn)泄露的現(xiàn)象。測量溫度的傳感器安裝于進(jìn)油口以及出油口的位置，測量壓力的傳感器安裝于液壓缸內(nèi)腔位置。

監(jiān)控機(jī)械系統(tǒng)的傳動包括測量傳動箱各部位軸承的溫度變化傳感器和測量瓦斯?jié)舛鹊膫鞲衅鳌y量軸承變化溫度的傳感器安裝于牽引左右兩側(cè)各一個，其型號是WS9050，它的測量量程需根據(jù)工作現(xiàn)場加以確定，傳感器電源為DC 24 V。測量瓦斯?jié)舛葌鞲衅髦饕惭b于機(jī)箱里，使用兩路進(jìn)行供電，其電壓是18 V，電流是351 mA。共有接口兩個，其中一個接口連總線，另一個接口連接備用接口。

采煤機(jī)能夠完成智能自動控制功能，其主要應(yīng)用了控制板、控制運(yùn)行器來對設(shè)備送電與斷電發(fā)出指令，采煤機(jī)的切割深度、高度和牽引電機(jī)方向都會對采煤機(jī)啟動產(chǎn)生影響。相關(guān)采煤機(jī)各控制模塊通過邏輯運(yùn)算，在工作中控制左右臂的升降，控制手柄模塊的作用是將操作人員指令進(jìn)行收集整理成控制指令，通過CAN 總線傳送于采煤機(jī)控制運(yùn)行面板，最終實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)控制工作目的?？刂浦醒肽K使用智能運(yùn)算，利用布置于設(shè)備各處的傳感器，對設(shè)備整個運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，另外，能夠使用采煤機(jī)切割記憶算法和識別煤巖算法達(dá)到智能化采煤機(jī)自動控制[4]。

采煤機(jī)調(diào)整姿態(tài)是根據(jù)控制器通信接受傳感器各參數(shù)的，控制器能夠進(jìn)行手動操作，同時也能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，傳輸數(shù)據(jù)及時準(zhǔn)確，其數(shù)據(jù)能夠為故障診斷排除提供依據(jù)。使用總線與設(shè)備各監(jiān)控板進(jìn)行信息聯(lián)通，從而使采煤機(jī)工作狀態(tài)能夠得到實(shí)時監(jiān)控，同時監(jiān)測數(shù)據(jù)參數(shù)會同步儲存，這樣方便于今后調(diào)取。

2 系統(tǒng)的識別智能功能

識別煤巖理論是進(jìn)行智能識別煤巖的重要基礎(chǔ)，其主要的傳感器是檢測安裝于滾筒的液壓油壓力、電機(jī)運(yùn)行電流，采煤機(jī)在工作過程中，切割煤炭和切割巖層時，傳感器檢測到的滾筒液壓油壓力、電機(jī)運(yùn)行電流將會不同，利用數(shù)據(jù)檢測來判斷采煤機(jī)所切割的是煤層或者巖層。當(dāng)采煤機(jī)切割巖層時，由于巖層密度與煤層的不同，傳感器檢測到的滾筒液壓油壓力、電機(jī)運(yùn)行電流將會和正常煤層開采的數(shù)值不同，根據(jù)其各自不同的檢測參數(shù)達(dá)到識別煤巖智能化[5]。

采煤機(jī)工作時，采煤機(jī)運(yùn)行速度、液壓油壓力、牽引電機(jī)的電流、滾筒的旋轉(zhuǎn)速度都相對穩(wěn)定，采煤機(jī)沿頂板向下依次切割煤層時，滾筒液壓油缸會對滾筒施加一定壓力，主要是防止在切割到巖層時，滾筒會沿煤頂板工作。

智能系統(tǒng)監(jiān)控檢測到正在運(yùn)行的采煤機(jī)變化參數(shù)時，將自動調(diào)整切割機(jī)作業(yè)高度。當(dāng)巖層頂板角度高于切割機(jī)所設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)傾角時，采煤機(jī)監(jiān)控就會預(yù)警，提示必須降低滾筒轉(zhuǎn)速和采煤機(jī)行駛速度，這樣可以保證采煤機(jī)正常連續(xù)運(yùn)行。使用智能運(yùn)算可以使采煤機(jī)達(dá)到智能自動控制，最終提高回采效率的目的。

3 結(jié)語

在煤炭礦井地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層厚度不均的環(huán)境下，智能采煤機(jī)使煤炭生產(chǎn)效率得到大幅度提高。在煤巖智能識別上，識別率高達(dá)80%，所以，智能采煤機(jī)在煤礦開采作業(yè)中應(yīng)用前景更加廣泛。