采煤機(jī)電纜自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

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針對(duì)綜采工作面電牽引采煤機(jī)供電電纜裝置存在的可靠性差、自動(dòng)化程度低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)電纜自動(dòng)拖拽控制系統(tǒng)。以PLC控制器、變頻器為核心，控制電纜拖拽裝置的運(yùn)行速度與采煤機(jī)速度協(xié)同隨動(dòng)，并可根據(jù)采煤機(jī)運(yùn)行方向協(xié)同配合。詳細(xì)分析系統(tǒng)組成、硬件以及軟件設(shè)計(jì)。在地面搭建模式試驗(yàn)場(chǎng)地，模擬井下坡度、障礙物試驗(yàn)。模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的電纜自動(dòng)拖拽控制系統(tǒng)能夠保證采煤機(jī)供電電纜與采煤機(jī)協(xié)同隨動(dòng)，不發(fā)生彎折以及二次彎折故障，保證采煤機(jī)供電的持續(xù)性和可靠性。綜采工作面電牽引采煤機(jī)運(yùn)行時(shí)，供電電纜隨采煤機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。如果缺乏有效的電纜拖拽裝置，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，會(huì)導(dǎo)致采煤機(jī)供電電纜的碾壓、磨損甚至斷裂，導(dǎo)致頻發(fā)維護(hù)以及更換供電電纜，間接影響采煤機(jī)的生產(chǎn)效率。研究并設(shè)計(jì)一種適用于采煤機(jī)的供電電纜自動(dòng)拖拽裝置，使得電纜能夠跟隨采煤機(jī)進(jìn)行協(xié)同隨動(dòng)運(yùn)動(dòng)，保護(hù)供電電纜免受煤塊碾壓以及磨損。波蘭柯派克斯公司的“黑龍”采煤系統(tǒng)，首次使用采煤機(jī)電纜拖拽裝置，安裝與順槽巷道中，防止采煤機(jī)上下行或改變方向時(shí)供電電纜發(fā)生彎折或二次彎曲。國(guó)內(nèi)根據(jù)急傾斜煤層采煤機(jī)開(kāi)發(fā)出液壓絞車(chē)型電纜拖拽系統(tǒng)，該系統(tǒng)輸出恒定張力，保證在采煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，電纜夾與電纜始終保持張緊狀態(tài)。但該裝置存在的問(wèn)題是采煤機(jī)上行時(shí)，該裝置受到的滑道阻力較大，導(dǎo)致該裝置的使用壽命較低，實(shí)用性不大。神東煤炭分公司開(kāi)發(fā)了一種電纜收放裝置，通過(guò)對(duì)應(yīng)的液壓控制閥進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)電纜的令排列機(jī)構(gòu)做往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，解決了電纜的二次彎折問(wèn)題，但是該裝置需人工操作。山東能源集團(tuán)開(kāi)發(fā)的TL445/630G自動(dòng)拖纜裝置，采用動(dòng)滑輪系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電纜夾與采煤機(jī)同步行走，并可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換向。但該裝置在實(shí)際使用中，動(dòng)滑輪系統(tǒng)中的鋼絲繩可能會(huì)被煤塊砸中，可靠性不佳。根據(jù)綜采工作面采煤機(jī)供電電纜實(shí)際運(yùn)行情況，設(shè)計(jì)以PLC控制器為核心的電纜自動(dòng)拖拽控制系統(tǒng)。

1系統(tǒng)組成

為保證電牽引采煤機(jī)可靠供電，需配置供電電纜自動(dòng)拖拽裝置與采煤機(jī)進(jìn)行協(xié)同隨動(dòng)運(yùn)動(dòng)，該裝置的控制系統(tǒng)組成如圖1所示，三相異步變頻電動(dòng)機(jī)由交流1140V供電，在該電動(dòng)機(jī)中的旋轉(zhuǎn)編碼器用于采集電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速以及位置信息并發(fā)送至PLC控制器；PT100溫度傳感器用于采集電動(dòng)機(jī)的軸溫，以模擬量輸入模式傳送至PLC控制器。PLC控制器控制四象限變頻器啟動(dòng)/停止，并根據(jù)采煤機(jī)運(yùn)行速度控制變頻器的給定轉(zhuǎn)速或給定轉(zhuǎn)矩。變頻器以CAN/CanOpen總線模式將其運(yùn)行數(shù)據(jù)以及故障信息傳送給PLC控制器。在電纜自動(dòng)拖拽裝置中配備有HMI顯示屏，用于顯示該裝置的運(yùn)行情況，PLC控制器以Can通信模式將數(shù)據(jù)傳送給HMI顯示屏進(jìn)行顯示。為與采煤機(jī)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)協(xié)同隨動(dòng)運(yùn)動(dòng)，電纜自動(dòng)拖拽裝置的PLC控制器與采煤機(jī)控制器需進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，以Can通信模式實(shí)現(xiàn)。

2硬件設(shè)計(jì)

采煤機(jī)電纜自動(dòng)拖拽控制系統(tǒng)中的主要硬件包括控制器組件、變頻器、變頻異步電動(dòng)機(jī)、HMI顯示屏以及外接的急停開(kāi)關(guān)、啟動(dòng)/停止開(kāi)關(guān)、傳感器等。PLC控制器組件選用S7-1200CPU系列以及DI/DO/AI/AO擴(kuò)展模塊，該控制器處理速度塊、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、功耗低；擁有50KB的用戶(hù)程序存儲(chǔ)空間，自帶14點(diǎn)輸入/14點(diǎn)輸出的板載數(shù)字I/O，可擴(kuò)展3個(gè)CAN通信模塊，滿足電纜自動(dòng)拖拽控制系統(tǒng)要求?？紤]到綜采工作面環(huán)境惡劣，選用的變頻器必須具有較高級(jí)別的防護(hù)能力以及康干擾能力，因此選用ABB公司的A10007-1四象限變頻器完成對(duì)異步變頻電動(dòng)機(jī)的控制，該變頻器具備轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩以及恒轉(zhuǎn)速、恒功率運(yùn)行模式，可實(shí)現(xiàn)變頻電動(dòng)機(jī)的無(wú)極調(diào)速，調(diào)速范圍較大，且自帶PID、模糊PID等多種內(nèi)嵌控制算法。同時(shí)該變頻器可實(shí)現(xiàn)電源側(cè)/負(fù)載測(cè)的短路、過(guò)電流、鎖相遺失、母線電壓過(guò)低等多種保護(hù)和故障停機(jī)，保證電動(dòng)機(jī)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。HMI顯示屏選用MCGS組態(tài)軟件系統(tǒng)，可快速生成監(jiān)控系統(tǒng)，該顯示屏的供電電壓為DC24V，主板采用ARM低功耗CPU，主頻頻率為400MHZ，配備有RS232\RS485以及CAN/CanOpen通信接口，防護(hù)等級(jí)為IP67，滿足綜采工作面惡劣環(huán)境要求。變頻異步電動(dòng)機(jī)為按照要求定制開(kāi)發(fā)。

3軟件設(shè)計(jì)

采煤機(jī)電纜自動(dòng)拖拽控制系統(tǒng)的軟件流程見(jiàn)圖2所示。系統(tǒng)上電后，首先完成初始化以及系統(tǒng)自檢工作，當(dāng)系統(tǒng)自檢有故障時(shí)，需進(jìn)行故障恢復(fù)。當(dāng)該控制系統(tǒng)檢測(cè)到有采煤機(jī)信號(hào)后，判斷采煤機(jī)當(dāng)前狀態(tài)時(shí)上行還是下行。如果采煤機(jī)運(yùn)行方向?yàn)樯闲?，則控制電纜自動(dòng)拖拽裝置進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩跟隨上行運(yùn)行，PLC控制器控制四象限變頻器對(duì)其運(yùn)行速度進(jìn)行微調(diào)并滿足與采煤機(jī)的跟隨距離。如果采煤機(jī)運(yùn)行方向?yàn)橄滦?，則控制電纜自動(dòng)拖拽裝置進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩跟隨下行運(yùn)行。電纜自動(dòng)拖拽裝置運(yùn)行過(guò)程中有故障發(fā)生時(shí)，PLC控制器會(huì)觸發(fā)故障輸出信號(hào)，并在HMI顯示屏進(jìn)行故障類(lèi)別、發(fā)生時(shí)間的顯示，并觸發(fā)采煤機(jī)控制器和拖拽裝置控制器發(fā)出停車(chē)信號(hào)。

4模擬試驗(yàn)

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的采煤機(jī)電纜自動(dòng)拖拽控制系統(tǒng)的功能，在地面搭建試驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行模擬試驗(yàn)，對(duì)采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，并模擬采煤機(jī)井下實(shí)際工作情況。將刮板運(yùn)輸機(jī)設(shè)計(jì)為可彎曲±3°，水平±1.5°，底部喲個(gè)枕木抬高，模擬彎曲。在電纜槽中插入枕木用以模擬井下障礙，即該自動(dòng)拖拽裝置遇到障礙物時(shí)，阻力增大，拖纜電動(dòng)機(jī)輸出電流增大，當(dāng)輸出電流大于設(shè)置值區(qū)間時(shí)，控制器發(fā)出過(guò)電流報(bào)警并發(fā)出停車(chē)信號(hào)，采煤機(jī)停止運(yùn)行。在電纜槽中人工堆煤，運(yùn)行阻力增加，采煤機(jī)牽引速度減??；將堆煤人工清理一部分，運(yùn)行阻力逐漸減小，采煤機(jī)牽引速度逐漸增加。在采煤機(jī)牽引速度增加或減小過(guò)程中，檢測(cè)電纜自動(dòng)拖拽裝置運(yùn)行速度，與采煤機(jī)牽引速度保持協(xié)同隨動(dòng)。

5結(jié)語(yǔ)

電牽引采煤機(jī)供電電纜為采煤機(jī)提供動(dòng)力源，若供電電纜發(fā)生碾軋、彎折等故障，將嚴(yán)重影響采煤機(jī)的生產(chǎn)效率。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)電纜自動(dòng)拖拽系統(tǒng)，在保護(hù)供電電纜的同時(shí)，能夠保證采煤機(jī)供電的持續(xù)和穩(wěn)定性，具有重要的生產(chǎn)實(shí)踐意義。

作者：張海嶺 單位：同煤集團(tuán)四臺(tái)礦電訊隊(duì)