采煤机调速控制系统的优化研究

2020-07-31林新元

机械管理开发 2020年6期

林新元

（阳泉煤业集团翼城东沟煤业有限公司，山西临汾 041000）

引言

采煤机作为煤矿井下“三机”中的核心设备，是决定综采作业安全性和经济性的关键。为了确保传动系统的安全，采煤机在截割作业过程中通常通过改变截割转速或者调整进给速度来不断改变采煤机的截割作业状态，但该类型的调整方法主要依靠作业人员的工作经验，存在着较大的不确定性，而且对综采作业效率影响较大[1]。因此，本文提出了一种新的采煤机调速控制系统，其采用了模糊自适应的控制模式，能够根据作用在截割机构上的煤岩的截割阻力的大小灵活调整采煤机的进给速度和截割转速。

1 采煤机调速控制系统的整体结构

该采煤机的自动调速控制系统主要以PLC 逻辑控制为基础，分为温度测量模块、自动控制模块以及工作电流的监测模块，在运行过程中各监测模块自动对采煤机运行过程中的工作电流、电机温度、截割转速、运行速度等进行实时监控，当某一个监测数据超过正常工作范围后系统将对该参数进行标定并报警，根据逻辑控制程序判断异常发生的初步原因，根据判断结果自动实施逻辑控制调整，发出调整电流信号，对相应工作参数进行调整，确保采煤机的稳定运行，比如当出现截割功率超标时，系统根据综合截割状况，发出调整信息，对截割转速和牵引速度进行综合调整，实现在恒功率前提下的综采效率提升，该采煤机调速控制系统结构如图1 所示[2]。

2 数字量恒功率控制系统

为了确保恒功率控制的精确性，本文在传统的模拟电子元件恒功率控制系统的基础上，提出了一种新的数字量恒功率控制系统，该系统主要包括微处理器设备、变频控制系统等，可以根据所监测到的截割电机控制系统的电流信号，对采煤机的运行状态进行不间断的闭环控制调节，从而实现对采煤机恒功率的精确控制，如图2 所示[3]。

图1 采煤机调速控制系统结构示意图

当该系统运行时，系统会采集采煤机正常进给作业时的速度，当截割作业过程中煤层的硬度发生变化后，会直接导致采煤机驱动电机的输出电流发生改变，将输出的实际电流和系统设定的额定电流进行对比，经过PLC 控制中心的计算后输出模拟量电压信号，再经过D/A 转换器的转换，控制变频控制器的输出电流频率和电压值，从而实现对采煤机截割转速和进给速度的调整。

在具体控制上，如果煤层硬度增加，则作用在截割滚筒上的截割阻抗增大，截割电流同步增加，此时控制系统控制变频器降低输出电压，减小牵引电机的运行速度，减少单位时间内的煤层截割厚度，从而降低了截割滚筒的截割负载，确保驱动电机的恒功率运行。如果煤层硬度降低，则可以通过控制增加输出电压，加快采煤机的进给速度，提高单位时间内的煤层截割厚度，确保电机的恒功率运行。由于井下地质环境复杂，因此为了确保控制系统的控制稳定性和精度，将驱动电机的功率调节范围设定为1±5%，从而确保系统在安全运行前提下的调整频次，保证各类电器元件的使用寿命。

图2 数字量恒功率控制原理

3 模糊自适应控制原理

传统的模糊控制方案虽然调控效果较为平稳，但是调控速度慢，无法满足新的调速控制系统精确、快速的调整控制需求，本文在传统模糊控制的基础上，提出了一种新的模糊自适应调整控制逻辑，该控制方案具有调控速度快、精确性高的优点，其调整控制逻辑如图3 所示[4]。

图3 模糊自适应控制原理

采煤机调速系统对作用在截割滚筒上的截割阻力变化时的电流情况进行监控，然后在模糊自适应控制模块中对偏差量和调节量进行对比分析，输出调节控制信号给变频器，控制变频器对牵引电机的工作电压进行调整，进而实现对调速系统的稳定控制。

4 采煤机调速控制系统的应用效果

为了对该采煤机调速控制系统的实际调控效果进行分析，利用simulink 仿真分析软件[5]建立该调速控制系统的仿真分析模型，假设当系统稳定运行1 s 后对系统输入一个模拟突变电流，验证不同控制系统作用下采煤机截割控制系统的调速情况，不同调速控制模式下的控制效果如图4 所示。

图4 不同控制方案下的调速控制效果

由图4 可知，当对系统施加一个模拟激励信号后，采煤的进给速度Vq从14 m/min 上升到18 m/min，当采用传统的模糊控制方案时，其调整时间长达3 s，而采用新的模糊自适应控制的情况下，其调整时间仅1.7 s，比优化前降低了43.3%，能够快速地响应截割阻抗的变化，虽然在调整是速度有轻微的波动，但其超调量仅0.5 m/s，完全满足可控需求，综合分析后可知新的模糊自适应控制具有响应速度快的优点，更适合该调速控制系统的需求。