采煤机自动控制系统的安全优化研究_李荣涛.pdf

采煤机自动控制系统的安全优化研究李荣涛（山西煤炭运销集团高山煤业有限公司，山西大同037000）摘要：以某大型矿区采煤的自动控制系统为研究对象，综合分析了系统所存在的问题与不足之处，提出了以 PLC为核心部件的改造方案。经过现场使用数据的统计，改进方法有效地提高了采煤机在矿井下综采工作的效率和安全性，大幅度提高了经济效益。关键词：采煤机；自动控制；安全；优化；截割效率中图分类号：TD265文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0151-020引言采煤机是地下矿井开采的核心设备，其工作的效率严重影响着矿井的日生产收益1-4。在工作时，采煤机的自动控制系统更是影响工作效率的关键因素5-6。以某大型矿区采煤的自动控制系统为研究对象，综合分析了系统所存在的问题与不足之处，提出了相应的改造方案。经过现场使用数据统计的改进方法有效地提高了采煤机在矿井下综采工作的效率和安全性，大幅提高了经济效益。1工程背景以某大型煤业有限公司采煤机为研究对象，其主要由截割部驱动结构、机身、滚筒、前进驱动结构等部分组成。在进行采煤工作时，信号由安全控制系统输出，传递至截割部终端后，对截割部摇臂的动作进行控制，以实现采煤工作。在使用过程中，当截割部在进行不同层面的煤矿开采时，由于所开采的煤矿软硬程度不均匀，这就会导致在关节处出现载荷的突变。但由于现场所使用的采煤机不能够及时调整截割状态，导致了采煤机结构损毁，甚至会出现了电机烧毁的现象，这已严重影响了煤矿的安全开采，造成矿区极大的经济损失。2改进方案为了减少上述情况的发生，对该矿区系统进行了相应的优化，其控制系统如图 1 所示7。针对现有的控制系统，其主要是在采煤机进行截割作业的系统中增加了经济性判断逻辑子程序。该程序的作用为：当截割部关节处出现了较大的突变载荷时，系统会立刻对采煤机的行进速度、截割部的滚筒转速等参数进行提取，然后经过算法的计算与分析，求解出对应的截割参数，并反馈至对应的零部件，以在保证安全性的前提下实现采煤机的截割作业效率。根据现场运行工况可知，采煤机一般运行在地下矿井内，其周围均是高湿度、高灰尘浓度的环境。因此，对采煤机上的传感器、控制系统、电子零部件等各类设备均提出了更高的要求。同时，考虑到采煤机改造方案的经济性与可行性，最终确定采用 PLC 作为该安全控制系统的核心控制元件，并采用数字通信模块来实现对采煤机各部件及关节处实时数据信号的采集、计算分析以及存储的工作。另外，为了进一步扩大所提安全控制系统的扩展能力，即为了提高其通用性，以及为了后续的升级、更新换代的便捷性，决定PLC 模块采用 S7-300 型8-9。这是因为 S7-300 型具有多种标准协议接口，而且其运行可靠性较高。另外，在对各电子设备的位置进行布置时，为了防止矿井内落料的冲击，导致设备的损坏，在采煤机的上侧专设了落料挡板。3改造方案的评估3.1截割部及牵引部控制系统在日常的工作中，采煤机的截割部与牵引部的控制系统通常是分离的，但是截割部所受载荷的大小与采煤机的行进速度息息相关。因此，需要对二者进行系统的耦合控制，以满足联动工作的要求。由于在地下矿井工作时，环境比较复杂，采煤机左右两侧的牵引电机容易出现分配不均匀的现象，这就会导致电机的非正常损坏。为了克服所述问题，在改进系统中增加了以电机负载转矩为调节标准的调节系统。其是将收稿日期：2022-04-27作者简介：李荣涛（1997），男，山西忻州人，本科，毕业于大连科技学院，助理工程师，研究方向为矿山机电。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.06.061图 1采煤机截割部安全控制系统结构示意图绝缘监测变频器故障信号控制按钮面板按钮瓦斯浓度水流量绝缘监测绝缘监测绝缘监测绝缘监测数字量输入模块电源模块（PS）S7-300PLCCPU315-2DP信号模块（SM）模拟量输入模块（AD）触屏显示器RS-485数字量输出模块Profibus-DP主变频器左牵引电机电气控制D/A 转换Modbus从变频器电子倾角器右牵引电机位移传感器瓦斯传感器电流传感器温度传感器压力传感器优化改造机械管理开发第 38 卷两侧电机中的控制变频装置通过 modbus 通信协议相连接，并将负载转矩作为控制的自变量，通过反馈的转矩信号进行实时调节。而对于采煤机截割部的控制系统，同样采用反馈进行自我控制。在工作时，截割机构在承受负载时，其电机内部的电流以及油缸内部的压力均会出现变化，这就可以通过对上述两个参数的监测，实现对截割位姿变化的记录。根据所记录的载荷、转速、牵引速度，进行计算与分析，即可得到在不同工作平面内的最佳匹配参数，并将其存储在终端系统中，即可实现对截割部的最佳控制。3.2采煤机调高控制系统由于地下矿井内部的环境比较恶略，采煤机在工作过程中极易出现触顶的现象。因此，为了在改进时，对调高控制系统增加子程序，采煤机调高机构的工作原理如图 2 所示。在工作中，当采煤机顶部与矿井的顶板触碰时，截割滚筒的负载就会突然增大，油缸内部的压力也会剧增，因此，可通过对油缸压力的提取，并将数字信号传递至控制中心，然后经过后台程序的计算与分析，此时若油缸内的压力超过正常截割压力的范围且持续时间在 10 s 以上，则控制中心就会暂认定采煤机触顶。然后，系统关闭摇臂的调节，并对执行油缸所伸出的长度进行采集。若此时油缸的伸出长度已经超过所认定范围，那么系统会确认采煤机已经触顶，并执行高度调节程序，调整摇臂的高度。改进的采煤机调高控制系统内部增加的记忆程序，可以对每一次高度的调节参数进行记录。当再一次出现同样事故，且参数相近时，系统会自动识别记录中的调节方式，并立刻作出判断并发出指令，从而提高了事故的处理效率，确保了截割工作的安全性，采煤机自动调高控制系统原理如图 3 所示10。4应用效果分析为验证改进方案的可行性，对该矿区的部分采煤机安全控制系统进行了相应的改造升级，并通过使用。通过对投入使用前后采煤机的情况进行数据的采集与对比，得到在改进系统后采煤机每日的前进距离由原先的 45 m 增加到了 53 m，日进距离相对增加了17.8%。另外，自改进后的采煤机投入日常生产一年以来，仅仅出现了 2 次截割部调高偏位的现象。根据数据计算，截割作业过程中的故障率降低了 54.6，且在使用过程中从未出现触顶、截割部关节处损坏、电机损坏等安全事故。因此，改进方法有效地提高了采煤机在矿井下综采工作的效率和安全性，大幅度提高了经济效益。5结论以某大型矿区采煤的自动控制系统为研究对象，综合分析了系统所存在的问题与不足之处，提出了相应的改造方案，得出如下结论：1）原矿区内的采煤机控制系统，无法实现对工作姿态的实时调节，极易出现截割部的非正常损坏现象，造成矿区极大的经济损失。2）改进的安全控制系统以 PLC 为核心，并通过数字模块来实现对数据的统计、分析与存储，有效地实现了对采煤机作业过程的实时调节与控制。3）采用改进后的安全控制系统，实现了采煤机的自主调节，在节省人力的基础上，增加了工作过程的安全性，有效地提高了采煤机在矿井下综采工作的效率和安全性，大幅度提高了经济效益。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）：1-42赵亦辉，赵友军，周展.综采工作面采煤机智能化技术研究现状J.工矿自动化，2022，48（2）：11-18；28.3乔海源，王飞，任文清.浅谈煤矿变频控制技术的应用J.陕西煤炭，2022，41（1）：157-160.4王振华.煤矿采煤机智能化研究J.能源与节能，2022（1）：111-112.5闫文慧.采煤机自动调高液压系统的优化控制研究J.机械管理开发，2021，36（12）：230-232.6张卫花.煤矿电牵引采煤机自动控制系统设计探讨J.机械管理开发，2021，36（12）：267-269.7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）：1-58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）：80-839赵丽娟，王雅东，张美晨，等.复杂煤层条件下采煤机自适应截割控制策略J.煤炭学报，2022，47（1）：541-563.10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（S2）：100-103（编辑：王婧）图 2采煤机调高机构工作原理图 3采煤机自动调高控制系统原理图ABA/D 转换位移传感器控制信号D/A 转换控制器换向阀液压油缸截割滚筒压力传感器截割滚筒位置与压力信息历史数据库（下转第 155 页）1522023 年第 6 期8尹红敏.露天采煤机连续采煤智能控制系统研究与设计D.邯郸：河北工程大学，2016.9耿泽昕，宋建成，许春雨，等.自动化采煤控制系统设计J.工矿自动化，2016，42（4）：11-14.10蒋南云，曹金花，黄霞，等.采煤机控制柜连接器生产线平衡优化设计J.煤矿机械，2014，35（2）：15-17.11马毅飞.基于嵌入式技术的电磁调速采煤机控制装置研究D.邯郸：河北工程大学，2013.12谢子殿，沈显庆，王蕴恒.电牵引采煤机电气控制技术M.南京：东南大学出版社，2011.（编辑：李俊慧）Research on the Control of Single Neuron Height Adjustment System of Coal Mining MachineAn Haifeng（Jinneng Holding Coal Group Madaotou Coal Co.,Ltd.,Datong Shanxi 037101）Abstract:The coal mining machine height adjustment control system has an important influence on the realization of automatic coal miningmachine integrated mining.The closed-loop adjustment of the drum height is carried out in the form of electro-hydraulic proportional valveand controlled by the strategy of single neuron PID.Simulation analysis of its control effect shows that the single neuron PID control is allable to achieve system stability quickly and with a small overshoot.Key words:coal mining machine;height adjustment system;electro-hydraulic proportional valve;single neuron;PID controlResearch on Safety Optimization of Automatic Control System for Coal Mining MachinesLi Rongtao（Shanxi Coal Transportation and Sales Group Gaoshan Coal Industry Co.,Ltd.,Datong Shanxi 037000）Abstract:Taking the automatic control system for coal mining in a large mining area as the research object,the problems and shortcomingsof the system were comprehensively analyzed,and a renovation plan with PLC as the core component was proposed.After on-site use ofdata statistics,the improved method effectively improved the efficiency and safety of the coal mining machine in the undergroundcomprehensive mining work,greatly improving economic benefits.Key words:coal mining machine;auto-control;Safety;Optimization;Cutting efficiency（上接第 152 页）Strength Analysis and Optimization Design of the Top Beam of Hydraulic Support forUnderground MiningWang Yi（Huozhou Coal Power Group Xinju Coal Machinery Equipment Manufacturing Co.,Ltd.,Huozhou Shanxi031400）Abstract:Considering the important value of the top beam of the support in the overall structure,it is necessary to use ANSYS simulationcalculation software to analyze the strength of the top beam under different working conditions.How to optimize the structure based onsimulation data Firstly,an overview of the hydraulic support is provided,followed by specific simulation analysis.Finally,specificoptimization strategies are proposed to hope to fully utilize the value of the hydraulic support and meet the needs of underground safetyproduction.Key words:hydraulic support;top beam strength;ANSYS（上接第 150 页）4张鹏.综采面带式输送机防撕裂装置的分析与应用J.机械管理开发，2020（5）：173-174.5曹虎奇.煤矿带式输送机撕带断带研究分析 J.煤炭科学技术，2015（S2）：130-134.（编辑：王慧芳）Application of Anti Tearing Device for Mining Belt ConveyorHan Yawen（Jinneng Holdings Coal Industry Group Silaogou Mine,Datong Shanxi 037031）Abstract:Based on the low automation level,poor anti tearing effect,and high failure rate of the original SSJ-800 belt conveyor used inthe Silaogou mine for transporting coal gangue,the frequent occurrence of belt tearing has seriously restricted safe and efficientunderground transportation.Through technical research,the mechanical and electrical department of the Silaogou mine has optimized andimproved the original belt conveyor belt tearing protection device,and adopted a new type of belt tearing protection device,The structureand working principle of the device were analyzed,and significant application results were achieved through practical application.Key words:coal mine;belt conveyor;tear tape protection device（上接第 148 页）安海峰：采煤机单神经元调高系统控制研究分析155