采煤機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的優(yōu)化研究

林新元

（陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)翼城東溝煤業(yè)有限公司， 山西 臨汾 041000）

引言

采煤機(jī)作為煤礦井下“三機(jī)”中的核心設(shè)備，是決定綜采作業(yè)安全性和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵。為了確保傳動(dòng)系統(tǒng)的安全，采煤機(jī)在截割作業(yè)過(guò)程中通常通過(guò)改變截割轉(zhuǎn)速或者調(diào)整進(jìn)給速度來(lái)不斷改變采煤機(jī)的截割作業(yè)狀態(tài)，但該類型的調(diào)整方法主要依靠作業(yè)人員的工作經(jīng)驗(yàn)，存在著較大的不確定性，而且對(duì)綜采作業(yè)效率影響較大[1]。因此，本文提出了一種新的采煤機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)，其采用了模糊自適應(yīng)的控制模式，能夠根據(jù)作用在截割機(jī)構(gòu)上的煤巖的截割阻力的大小靈活調(diào)整采煤機(jī)的進(jìn)給速度和截割轉(zhuǎn)速。

1 采煤機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

該采煤機(jī)的自動(dòng)調(diào)速控制系統(tǒng)主要以PLC 邏輯控制為基礎(chǔ)，分為溫度測(cè)量模塊、自動(dòng)控制模塊以及工作電流的監(jiān)測(cè)模塊，在運(yùn)行過(guò)程中各監(jiān)測(cè)模塊自動(dòng)對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的工作電流、電機(jī)溫度、截割轉(zhuǎn)速、運(yùn)行速度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)某一個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)正常工作范圍后系統(tǒng)將對(duì)該參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定并報(bào)警，根據(jù)邏輯控制程序判斷異常發(fā)生的初步原因，根據(jù)判斷結(jié)果自動(dòng)實(shí)施邏輯控制調(diào)整，發(fā)出調(diào)整電流信號(hào)，對(duì)相應(yīng)工作參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，確保采煤機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，比如當(dāng)出現(xiàn)截割功率超標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)綜合截割狀況，發(fā)出調(diào)整信息，對(duì)截割轉(zhuǎn)速和牽引速度進(jìn)行綜合調(diào)整，實(shí)現(xiàn)在恒功率前提下的綜采效率提升，該采煤機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示[2]。

2 數(shù)字量恒功率控制系統(tǒng)

為了確保恒功率控制的精確性，本文在傳統(tǒng)的模擬電子元件恒功率控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了一種新的數(shù)字量恒功率控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括微處理器設(shè)備、變頻控制系統(tǒng)等，可以根據(jù)所監(jiān)測(cè)到的截割電機(jī)控制系統(tǒng)的電流信號(hào)，對(duì)采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行不間斷的閉環(huán)控制調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)恒功率的精確控制，如圖2 所示[3]。

圖1 采煤機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)會(huì)采集采煤機(jī)正常進(jìn)給作業(yè)時(shí)的速度，當(dāng)截割作業(yè)過(guò)程中煤層的硬度發(fā)生變化后，會(huì)直接導(dǎo)致采煤機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出電流發(fā)生改變，將輸出的實(shí)際電流和系統(tǒng)設(shè)定的額定電流進(jìn)行對(duì)比，經(jīng)過(guò)PLC 控制中心的計(jì)算后輸出模擬量電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)D/A 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換，控制變頻控制器的輸出電流頻率和電壓值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)截割轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的調(diào)整。

在具體控制上，如果煤層硬度增加，則作用在截割滾筒上的截割阻抗增大，截割電流同步增加，此時(shí)控制系統(tǒng)控制變頻器降低輸出電壓，減小牽引電機(jī)的運(yùn)行速度，減少單位時(shí)間內(nèi)的煤層截割厚度，從而降低了截割滾筒的截割負(fù)載，確保驅(qū)動(dòng)電機(jī)的恒功率運(yùn)行。如果煤層硬度降低，則可以通過(guò)控制增加輸出電壓，加快采煤機(jī)的進(jìn)給速度，提高單位時(shí)間內(nèi)的煤層截割厚度，確保電機(jī)的恒功率運(yùn)行。由于井下地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，因此為了確?？刂葡到y(tǒng)的控制穩(wěn)定性和精度，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率調(diào)節(jié)范圍設(shè)定為1±5%，從而確保系統(tǒng)在安全運(yùn)行前提下的調(diào)整頻次，保證各類電器元件的使用壽命。

圖2 數(shù)字量恒功率控制原理

3 模糊自適應(yīng)控制原理

傳統(tǒng)的模糊控制方案雖然調(diào)控效果較為平穩(wěn)，但是調(diào)控速度慢，無(wú)法滿足新的調(diào)速控制系統(tǒng)精確、快速的調(diào)整控制需求，本文在傳統(tǒng)模糊控制的基礎(chǔ)上，提出了一種新的模糊自適應(yīng)調(diào)整控制邏輯，該控制方案具有調(diào)控速度快、精確性高的優(yōu)點(diǎn)，其調(diào)整控制邏輯如圖3 所示[4]。

圖3 模糊自適應(yīng)控制原理

采煤機(jī)調(diào)速系統(tǒng)對(duì)作用在截割滾筒上的截割阻力變化時(shí)的電流情況進(jìn)行監(jiān)控，然后在模糊自適應(yīng)控制模塊中對(duì)偏差量和調(diào)節(jié)量進(jìn)行對(duì)比分析，輸出調(diào)節(jié)控制信號(hào)給變頻器，控制變頻器對(duì)牽引電機(jī)的工作電壓進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。

4 采煤機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果

為了對(duì)該采煤機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的實(shí)際調(diào)控效果進(jìn)行分析，利用simulink 仿真分析軟件[5]建立該調(diào)速控制系統(tǒng)的仿真分析模型，假設(shè)當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行1 s 后對(duì)系統(tǒng)輸入一個(gè)模擬突變電流，驗(yàn)證不同控制系統(tǒng)作用下采煤機(jī)截割控制系統(tǒng)的調(diào)速情況，不同調(diào)速控制模式下的控制效果如圖4 所示。

圖4 不同控制方案下的調(diào)速控制效果

由圖4 可知，當(dāng)對(duì)系統(tǒng)施加一個(gè)模擬激勵(lì)信號(hào)后，采煤的進(jìn)給速度Vq從14 m/min 上升到18 m/min，當(dāng)采用傳統(tǒng)的模糊控制方案時(shí)，其調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)達(dá)3 s，而采用新的模糊自適應(yīng)控制的情況下，其調(diào)整時(shí)間僅1.7 s，比優(yōu)化前降低了43.3%，能夠快速地響應(yīng)截割阻抗的變化，雖然在調(diào)整是速度有輕微的波動(dòng)，但其超調(diào)量?jī)H0.5 m/s，完全滿足可控需求，綜合分析后可知新的模糊自適應(yīng)控制具有響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，更適合該調(diào)速控制系統(tǒng)的需求。

5 結(jié)論

1）采煤機(jī)的自動(dòng)調(diào)速控制系統(tǒng)主要以PLC 邏輯控制為基礎(chǔ)，主要分為溫度測(cè)量模塊、自動(dòng)控制模塊以及工作電流的監(jiān)測(cè)模塊，能夠根據(jù)綜合截割狀況發(fā)出調(diào)整信息，對(duì)截割轉(zhuǎn)速和牽引速度進(jìn)行綜合調(diào)整，實(shí)現(xiàn)在恒功率前提下的綜采效率提升。

2）模糊自適應(yīng)調(diào)整控制邏輯，該控制方案具有調(diào)控速度快、精確性高的優(yōu)點(diǎn)，調(diào)整時(shí)間比優(yōu)化前降低了43.3%，能夠快速響應(yīng)截割阻抗的變化。