滚筒采煤机智能化控制系统的设计

2020-02-19陈甲君

机械管理开发 2020年2期

陈甲君

（杜儿坪矿抽采区管路队，山西太原 030022）

引言

由于目前采煤机工作环境粉尘多、风险高，工作人员劳动强度大，生产率低，对采煤机进行自动化设计改造势在必行。采煤机自动化改造能够减少工作人员劳动强度的同时，也能加大煤炭产量。当前，煤矿使用的采煤设备及工艺为综合长臂机械采煤，采煤设备高速发展使采煤工作能够实现安全、高效、绿色生产。智能化、自动化以及先进装备制造工艺技术，使煤炭采煤机控制智能化成为现实。

1 总体方案的设计

1.1 采煤机系统控制主要结构

依据综采工作面实际工作情况以及需要，把采煤机智能控制监控分成以下部分：手动控制模块、采集信息模块、PLC 控制器、执行输出模块、自动控制模块[1]，结构系统如1 图。

1.2 系统控制设计

系统控制由相关传感器、采集数据模块、继电设备、称重传感器、倾角测量传感器、保护电机模块、启动控制模块、键盘、PLC 组成，通过它们实现采煤机自动控制、监视采煤机工况以及设备保护功能等。

1.2.1 模式控制

1）点动：主要是对液压部分、传输部分、装卸部分、切割头部分等进行点动工作，这一模式主要是为了对设备进行调整。

2）单控：主要是对液压部分、传输部分、装卸部分、切割头部分等进行单项功能作业启动，这一模式主要通过人工生产控制。

3）联控：主要是对液压部分、传输部分、装卸部分、切割头部分等进行程序控制，这一模式主要通过智能自动控制。

1.2.2 软、变频启动控制

由于采煤机运行电机功率很大，需使用软启动或者变频器启动，可减少起动电流，减少对电网冲击。软启动设备具备通讯能力，并配有485 通讯端口，具备Modbus 协议，这样更有利于和控制组态进行连接[2]。

1.2.3 电机保护智能化

皮带电机、刮板电机、装卸电机、泵电机等配有智能的保护装置，通过CPU 对电机进行监控，能应对短路、漏电、欠压、过压、缺相、过电流等情况，同时具有远程通讯工控机的功能。

1.2.4 智能自动控制

1）安装在切割臂上的传感器通过通信接口和工控机进行连接，通过对切割臂测量摆角，达到开采高度的监视与控制。

2）在行走系统中安装有流量计或者编码器，通过与工控机进行通信，从而达到智能模式下控制掘进深度。

3）安装在皮带机上的传感器有垂直、水平两种检测，通过和工控机进行通信，达到皮带机工作角度的控制与监视。

4）安装在皮带机上的测重单元，通过和工控机进行通信，实时对皮带机传送的煤炭进行流量、重量的检测。

5）采煤机启动程序。当按下自动模式后，设备将按程序逐级对设备各部分进行启动，启动程序为：液压泵进行启动→切割臂进行上升→到达上点→切割进行启动→皮带机进行启动→刮板机进行启动→装卸机进行启动→切割臂进行下降→设定采煤工作高度值→循环采煤流程。

6）循环采煤流程。当设备全部启动完成后，设备将进入循环采煤流程：设定采煤工作高度值→设定切割臂卧底值→切割臂上升→上升至设定的高度值→采煤机向前移动→到达切割设定深度值[3]。

1.2.5 监控智能控制板

安装于采煤机上的各种传感器主要是对采煤机作业姿态、掘进环境、机械联动部位、电气控制设备进行检测，从而为智能采煤机控制提供必要的参数值。系统CAN 总线将各数据传输到工控机，这样能够便于工控机对当前采煤机位置、姿态、参数进行实时监测。采煤机工控机主要包含的重要参数为：输入模拟信号、开关信号、脉冲信号、备用继电信号、通信总线与系统智能化的通信。根据控制对象不同分为：工作状态监控板、系统液压监控板、传动机械控制板、系统电气控制板等。

液压系统控制板由温度、压力、油位等传感器组成。压力测量传感器主要是测量进油口、出油口的压力，当测量进油口、出油口的压力值过大时，说明液压油路出现堵塞的现象，当测量进油口、出油口的压力值过小时，说明液压油路出现泄露的现象。测量温度的传感器安装于进油口以及出油口的位置，测量压力的传感器安装于液压缸内腔位置。

监控机械系统的传动包括测量传动箱各部位轴承的温度变化传感器和测量瓦斯浓度的传感器。测量轴承变化温度的传感器安装于牵引左右两侧各一个，其型号是WS9050，它的测量量程需根据工作现场加以确定，传感器电源为DC 24 V。测量瓦斯浓度传感器主要安装于机箱里，使用两路进行供电，其电压是18 V，电流是351 mA。共有接口两个，其中一个接口连总线，另一个接口连接备用接口。

采煤机能够完成智能自动控制功能，其主要应用了控制板、控制运行器来对设备送电与断电发出指令，采煤机的切割深度、高度和牵引电机方向都会对采煤机启动产生影响。相关采煤机各控制模块通过逻辑运算，在工作中控制左右臂的升降，控制手柄模块的作用是将操作人员指令进行收集整理成控制指令，通过CAN 总线传送于采煤机控制运行面板，最终实现采煤机控制工作目的。控制中央模块使用智能运算，利用布置于设备各处的传感器，对设备整个运行状态进行监控，另外，能够使用采煤机切割记忆算法和识别煤岩算法达到智能化采煤机自动控制[4]。

采煤机调整姿态是根据控制器通信接受传感器各参数的，控制器能够进行手动操作，同时也能够进行远程操作，传输数据及时准确，其数据能够为故障诊断排除提供依据。使用总线与设备各监控板进行信息联通，从而使采煤机工作状态能够得到实时监控，同时监测数据参数会同步储存，这样方便于今后调取。

2 系统的识别智能功能

识别煤岩理论是进行智能识别煤岩的重要基础，其主要的传感器是检测安装于滚筒的液压油压力、电机运行电流，采煤机在工作过程中，切割煤炭和切割岩层时，传感器检测到的滚筒液压油压力、电机运行电流将会不同，利用数据检测来判断采煤机所切割的是煤层或者岩层。当采煤机切割岩层时，由于岩层密度与煤层的不同，传感器检测到的滚筒液压油压力、电机运行电流将会和正常煤层开采的数值不同，根据其各自不同的检测参数达到识别煤岩智能化[5]。

采煤机工作时，采煤机运行速度、液压油压力、牵引电机的电流、滚筒的旋转速度都相对稳定，采煤机沿顶板向下依次切割煤层时，滚筒液压油缸会对滚筒施加一定压力，主要是防止在切割到岩层时，滚筒会沿煤顶板工作。

智能系统监控检测到正在运行的采煤机变化参数时，将自动调整切割机作业高度。当岩层顶板角度高于切割机所设定的标准倾角时，采煤机监控就会预警，提示必须降低滚筒转速和采煤机行驶速度，这样可以保证采煤机正常连续运行。使用智能运算可以使采煤机达到智能自动控制，最终提高回采效率的目的。