采煤机智能控制系统优化研究

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摘要：针对目前采煤机控制系统落后，无法实现智能综采作业的现状，提出了一种新的采煤机智能控制系统。该系统以PLC控制模块为核心，以实现采煤机自动截割作业为基础，实现了采煤机的无人化综采作业。根据实际应用表明，优化后采煤机的截割效率比优化前提升17.8%，截割作业过程中的故障率降低了54.6%，对提升综采作业效率和综采作业安全具有十分重要的意义。

关键词：采煤机；智能控制；截割效率

煤炭开采作为劳动密集型产业，在综采掘进过程中存在着综采效率低、安全性差的不足，严重影响了煤矿的产业升级[1]。采煤机是煤矿井下综采作业的核心，但目前国内多数采煤机均采用了人工控制模式，在截割作业过程中受操作人员的经验影响无法实现对截割作业过程的监测，导致采煤机截割作业稳定性差、故障率高，制约了井下综采作业效率的进一步提高。因此，提出了一种优化的采煤机智能控制系统并展开分析。

1采煤机智能控制系统

采煤机主要包括机身、进给驱动机构、截割驱动机构、截割滚筒等部分，在截割作业过程中由控制系统输出控制信号，控制摇臂上下摆动完成截割作业。截割滚筒在截割到不同的煤层时因煤层硬度不同会导致截割载荷突变，若不及时调整截割状态会导致截割电机烧毁等。因此该智能控制系统在实现采煤机截割作业自动化的过程中加入了截割经济性判断逻辑，在截割载荷突变后自动对截割转速、采煤机进给速度等进行分析，获取最佳的截割参数，在确保截割安全性的前提下有效提升截割作业效率，该采煤机智能控制系统结构如图1所示[2]。由于采煤机长期在煤矿井下高湿、高尘的环境中工作，因此要求控制系统和各类传感器设备具有较高的稳定性，同时还要考虑到对掘进机控制系统改造的经济性和可行性。通过对多种控制方案的对比，最终选择了以PLC作为该智能控制系统的“大脑”，以数字通信模块来对采煤机运行过程中的各类数据信号进行采集、存储和分析。同时该控制模块还要满足高扩展性的需求，便于后续的升级和更新，PLC采用S7-300型，不仅具有多种标准协议接口，而且还具有高可靠性。各类传感器设备在布置时需要考虑防止落石冲击的影响，在上侧需要设置防落石挡板。

2截割及牵引控制系统

采煤机的牵引系统和截割系统虽然分离，但实际工作过程中截割阻力的大小和截割速度、牵引速度均密切相关，因此需要对截割系统和牵引系统进行联合控制，满足联动运行控制需求。由于煤矿井下地质环境复杂，采煤机的作牵引电机和右牵引电机在工作过程中极易出现牵引负荷不平衡而导致的电机损坏情况，因此在该控制系统中，提出了一种新的以电机输出转矩平衡为核心的牵引负载调节系统[3]，将左牵引电机和右牵引电机的控制变频器之间采用modbus通信协议连接，将左、右电机的输出转矩作为控制输入量，根据两者之间的差值实时调节对应牵引电机的变频器，满足功率平衡的控制需求。对采煤机截割机构的控制，主要是利用截割负载反馈理论，作用在截割机构上的载荷变化会导致截割电机截割电流的变化和执行油缸的压力变化，因此通过对截割电流和油缸压力的监测即可获取截割负载变化情况，通过提前对不同截割载荷下截割转速、牵引速度的相互关系进行分析，获取不同截割载荷下的最佳匹配速度，将其输入到控制系统中，在截割作业过程中即可实现最佳控制。

3采煤机调高控制系统

对采煤机调高系统的控制主要通过记忆截割逻辑来实现，但由于煤矿井下作业环境复杂，为了避免采煤机在截割作业过程中出现触顶事故，在记忆截割控制逻辑的基础上增加了一个防错系统。当采煤机的截割滚筒接触到顶板时会导致截割压力瞬间增加，执行油缸的工作压力会同步增大，因此以油缸压力为输入控制信号，经过数字量和模拟量的转换，传递给控制中心，控制中心对压力变化情况和持续时间进行分析，若油缸压超过正常截割范围且持续时间超过10s，则系统就标定截割滚筒已经触顶，此时执行机构尚不能调整摇臂高度，系统再对此时执行油缸的伸出长度进行分析，若判定油缸已经伸出大部分，则判定滚筒已触顶，系统发出高度调节信号，调整摇臂的高度。该调高系统还具备记忆学习能力，对每次调节时的系统参数进行记录，当下次出现类似情况时，系统自动进行匹配，若匹配合格则立刻判断为触顶并发出调节指令，从而加快调整速度，确保截割作业的安全性，该调高控制系统结构如图2所示[4]。

4应用效果

对采煤机控制系统进行改造升级，投入使用后对前后的使用情况进行对比，结果表明优化后采煤机的日进尺由45m提升到了53m，比优化前提升了17.8%，投入使用以来仅发生过2次调高偏位情况，未出现过触顶、电机损坏等异常，截割作业过程中的故障率降低了54.6%，显著提升了煤矿井下综采作业的效率和安全性。

5结论

1）该智能控制系统以PLC为“大脑”，以数字通信模块来对采煤机运行过程中的各类数据信号进行采集、存储和分析，实现了对采煤机作业过程的智能调节和控制。2）以电机输出转矩平衡为核心的牵引负载调节系统，能够根据电机输出转矩的差值实时调节对应牵引电机的变频器，满足功率平衡的控制需求，避免出现电机损坏。3）采煤机调高控制采用了双重防错系统，通过对油缸压力、电机电流和油缸伸出量的分析，确定是否触顶，安全性高，判断精度好，同时兼有记忆学习功能，能够显著提升触顶判断的速度和准确性。4）优化后采煤机的截割效率比优化前提升17.8%，截割作业过程中的故障率降低了54.6%。

参考文献

[1]李骏，林福严.跟机自动化中采煤机自动控制方法研究[J].工矿自动化，2014，40（2）：1-4.

[2]张旭辉，姚闯，刘志明，等.面向自动化工作面的电牵引采煤机控制系统设计[J].工矿自动化，2017，43（4）：1-5.

[3]杨达飞.基于PLC采煤机恒功率模糊控制方法[J].广西民族大学学报（自然科学版），2018，24（1）：80-83.

[4]何广东.基于PLC控制的采煤机自动割煤技术研究与应用[J].煤炭科学技术，2015，43（Suppl2）：100-103.

作者：王振东 单位：晋能控股煤业集团燕子山矿