采煤机控制系统的性能研究及改进

原学新

(山西煤炭运销集团神农煤业有限公司，山西 高平 048402)

0 引言

目前，随着国家对煤炭资源的大量需求，越来越多的煤矿开采设备被应用到煤矿中，采煤机是主要的开采设备，但由于煤矿环境的恶劣性，采煤机控制系统的各项性能也受到了影响，严重影响着采煤机的工作效率及作业安全，故采用先进的控制技术，并将其应用到现有采煤机控制系统中，实现设备控制系统的升级优化，提升采煤机工作效率。因此，结合采煤机结构特点及工作环境情况，开展控制系统的总体方案设计，针对该系统中PLC控制器、传感器设备、控制界面等关键部分进行设计优化，并现场应用测试，以验证该系统的可靠性和综合性能，对提高采煤机的工作效率和作业安全性具有较大作用。

1 采煤机结构

随着技术的不断更新，采煤机的整体结构需要不断进行优化和性能提升，但其主要结构基本保持不变。主要包括截割滚筒、摇臂、履带式移动机构、装载机构、输送机构、电控系统等，其中，滚筒、摇臂是采煤机的主要结构，主要负责对煤层进行切割；采煤机上的刮板输送机，承担采落下来煤炭的运输，并通过电驱动方式进行驱动控制。通过机构间的相互配合，快速完成对煤层的开采、运输。采煤机的应用，可较大程度地提升煤层的开采效率，降低工人劳动强度，提高企业经济效益。

2 控制系统总体结构改进方案

结合现有采煤机的结构特点，按照智能化矿井建设需要，对现有采煤机控制系统进行综合性能的提升。在控制系统改进后，主要对自动切割系统、保护系统、人机显示界面等方面进行优化改进。其整体结构包括变频器腔、配电腔、变压器腔、高压配电箱等几大部分，如图1所示。同时，从功能来上划分，包括电气控制系统、动力系统、监控系统等，分别分布在采煤机上的相应位置。在切割电机方面，采用智能控制模块，可通过设计的各类传感器对电机的工作温度、工作压力、切割功率等参数进行智能检测，并将检测的相关信号传递至PLC控制中心，其主要的传输通信采用CAN总线方式；PLC将检测的各类信号经过分析处理后，传递至相关执行机构，并在显示界面中进行实时显示。在该系统的动力系统中，配备了切割电机、泵电机、装载电机、断路器、高压配电装置等，可为采煤机提供有效的驱动电能及液压动力。而该系统中的控制核心部分则主要包括PLC、智能保护模块、继电器、软启动模块等，主要实现对采煤机各项功能的命令操作、智能保护及运行状态监控等功能。视频监控系统则主要包括摄像机、显示器、电源等部分，能为采煤机操作人员提供较为直观、准确的视频监控效果。

图1 控制系统结构布局

3 控制系统改进设计

3.1 PLC匹配设计

在控制系统PLC匹配设计过程中，需结合采煤机的运行工况进行PLC输入输出点、存储量、控制点数等参数的设计，所匹配的PLC需满足采煤机工作过程中煤尘大、振动幅度大、较大外界干扰影响等因素。因此，主要选用西门子的PLC控制器，其类型为赫斯墨PLC控制器，该控制器具有较高的振动适用性、高冲击性、较强的抗电磁干扰能力、温度适应范围较广，整体的防护等级达到IP67，较好地满足该控制系统中开关量输入输出、模拟量输入输出、脉冲信号输入等信息，并能通过CAN通信，对各类信号进行快速、高质量的传输。PLC的主要性能参数见表1。

表1 PLC控制器主要性能参数

3.2 传感器设备匹配设计

在整个控制系统中，需设计多种类型规格的传感器设备，实现对采煤机不同运行信息的信号采集，主要包括倾角传感器、皮带秤、旋转编码器、温度传感器、振动传感器等，其中，倾角传感器选用CS-2TAS-06型号，主要安装在切割臂上，实现对切割臂不同工作位置的信号采集及自动定位，其采集精度可达±80°，并通过CAN总线方式进行信号传输，有效满足采煤机的使用需求。同时，设计的旋转编码器主要负责对采煤机切割深度的快速检测，并通过CAN总线，将采集的信号输出至控制器中，实现对采煤机切割位置、不同方向行动等方面的控制。另外，选用皮带秤主要负责对采煤机中煤矿运输量的检测和显示，并对所运输煤矿总量进行不断的累计求和计算。

3.3 控制界面设计

控制界面是整个控制系统的关键部分，其较好的显示界面，能有效地实现对采煤机运行状态的全面监控、控制等操作。能对采煤机滚筒转速、煤层切割速度、机身振动程度、电源运行状态、切割电机运行参数等方向进行全面显示，其中，采煤机滚筒转速显示界面设计实际转速及设置转速等参数，可通过人工方式进行参数的快速调节；而电机运行状态显示界面，则能对采煤机上主泵电机、副泵电机、皮带输送机等电机的工作电流、工作电压、运行功率、工作温度等参数进行实时变化曲线及数字化显示，当电机出现突然中断或异常运行时，显示界面中将会出现“？”符号，并发出相应的报警及闪烁提示，其显示界面如图2所示。

图2 电机运行显示界面

4 系统测试

为进一步验证其整体系统的综合性能，必须进行现场试验测试。在整个测试过程中，整套系统各项控制功能运行正常，并能将采煤机上工作温度、工作压力、电机功率等关键信号参数在显示界面中进行实时显示，同时，通过对控制命令的操作，能对采煤机不同切割位置、切割高度、煤矿运输量等参数进行实时控制，且整体控制精度相对较高。同时，通过对显示界面中的设置按钮进行功能设置和调整。在测试过程中，也对控制系统的电机故障、配电装置故障、高温报警故障等进行测试，结果显示，该控制系统能准确、实时地对各类故障发出相应的报警提示，并将故障信息进行故障分析及存储。据现场测试人员分析，改进后的采煤机控制系统具有更高的控制精度，能将采煤机检测参数的误差范围缩小将近45%左右，且控制功能更加齐全。

5 结论

随着煤矿领域技术水平的不断提升，不断加大对采煤机控制系统的升级完善，已成为当下提高采煤机工作效率的重要发展方向。因此，以采煤机结构特点分析为基础，开展了采煤机控制系统的总体系统设计，重点设计分析了该系统中关键部位，并对其进行了现场测试验证，结果表明，改进后的采煤机控制系统具有更高的控制精度，功能更加齐全，能较好地实现对采煤机运行状态的实时监控，得到了现场测试人员的一致好评。通过开展该控制系统的改进设计，采煤机控制系统综合性能和采煤工作效率显著提升。