采煤機電纜自動控制系統(tǒng)設(shè)計研究

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針對綜采工作面電牽引采煤機供電電纜裝置存在的可靠性差、自動化程度低的問題，設(shè)計并實現(xiàn)電纜自動拖拽控制系統(tǒng)。以PLC控制器、變頻器為核心，控制電纜拖拽裝置的運行速度與采煤機速度協(xié)同隨動，并可根據(jù)采煤機運行方向協(xié)同配合。詳細分析系統(tǒng)組成、硬件以及軟件設(shè)計。在地面搭建模式試驗場地，模擬井下坡度、障礙物試驗。模擬實驗結(jié)果表明，設(shè)計并實現(xiàn)的電纜自動拖拽控制系統(tǒng)能夠保證采煤機供電電纜與采煤機協(xié)同隨動，不發(fā)生彎折以及二次彎折故障，保證采煤機供電的持續(xù)性和可靠性。綜采工作面電牽引采煤機運行時，供電電纜隨采煤機進行運動。如果缺乏有效的電纜拖拽裝置，長時間運行后，會導(dǎo)致采煤機供電電纜的碾壓、磨損甚至斷裂，導(dǎo)致頻發(fā)維護以及更換供電電纜，間接影響采煤機的生產(chǎn)效率。研究并設(shè)計一種適用于采煤機的供電電纜自動拖拽裝置，使得電纜能夠跟隨采煤機進行協(xié)同隨動運動，保護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)，首次使用采煤機電纜拖拽裝置，安裝與順槽巷道中，防止采煤機上下行或改變方向時供電電纜發(fā)生彎折或二次彎曲。國內(nèi)根據(jù)急傾斜煤層采煤機開發(fā)出液壓絞車型電纜拖拽系統(tǒng)，該系統(tǒng)輸出恒定張力，保證在采煤機運行過程中，電纜夾與電纜始終保持張緊狀態(tài)。但該裝置存在的問題是采煤機上行時，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，實用性不大。神東煤炭分公司開發(fā)了一種電纜收放裝置，通過對應(yīng)的液壓控制閥進行控制，可實現(xiàn)電纜的令排列機構(gòu)做往復(fù)式運動，解決了電纜的二次彎折問題，但是該裝置需人工操作。山東能源集團開發(fā)的TL445/630G自動拖纜裝置，采用動滑輪系統(tǒng)，實現(xiàn)了電纜夾與采煤機同步行走，并可實現(xiàn)自動換向。但該裝置在實際使用中，動滑輪系統(tǒng)中的鋼絲繩可能會被煤塊砸中，可靠性不佳。根據(jù)綜采工作面采煤機供電電纜實際運行情況，設(shè)計以PLC控制器為核心的電纜自動拖拽控制系統(tǒng)。

1系統(tǒng)組成

為保證電牽引采煤機可靠供電，需配置供電電纜自動拖拽裝置與采煤機進行協(xié)同隨動運動，該裝置的控制系統(tǒng)組成如圖1所示，三相異步變頻電動機由交流1140V供電，在該電動機中的旋轉(zhuǎn)編碼器用于采集電動機的實時轉(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機的軸溫，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/停止，并根據(jù)采煤機運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總線模式將其運行數(shù)據(jù)以及故障信息傳送給PLC控制器。在電纜自動拖拽裝置中配備有HMI顯示屏，用于顯示該裝置的運行情況，PLC控制器以Can通信模式將數(shù)據(jù)傳送給HMI顯示屏進行顯示。為與采煤機運行實現(xiàn)協(xié)同隨動運動，電纜自動拖拽裝置的PLC控制器與采煤機控制器需進行數(shù)據(jù)交互，以Can通信模式實現(xiàn)。

2硬件設(shè)計

采煤機電纜自動拖拽控制系統(tǒng)中的主要硬件包括控制器組件、變頻器、變頻異步電動機、HMI顯示屏以及外接的急停開關(guān)、啟動/停止開關(guān)、傳感器等。PLC控制器組件選用S7-1200CPU系列以及DI/DO/AI/AO擴展模塊，該控制器處理速度塊、實時性強、功耗低；擁有50KB的用戶程序存儲空間，自帶14點輸入/14點輸出的板載數(shù)字I/O，可擴展3個CAN通信模塊，滿足電纜自動拖拽控制系統(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別的防護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異步變頻電動機的控制，該變頻器具備轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩以及恒轉(zhuǎn)速、恒功率運行模式，可實現(xiàn)變頻電動機的無極調(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。同時該變頻器可實現(xiàn)電源側(cè)/負載測的短路、過電流、鎖相遺失、母線電壓過低等多種保護和故障停機，保證電動機的安全、穩(wěn)定運行。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，防護等級為IP67，滿足綜采工作面惡劣環(huán)境要求。變頻異步電動機為按照要求定制開發(fā)。

3軟件設(shè)計

采煤機電纜自動拖拽控制系統(tǒng)的軟件流程見圖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，當系統(tǒng)自檢有故障時，需進行故障恢復(fù)。當該控制系統(tǒng)檢測到有采煤機信號后，判斷采煤機當前狀態(tài)時上行還是下行。如果采煤機運行方向為上行，則控制電纜自動拖拽裝置進行恒轉(zhuǎn)矩跟隨上行運行，PLC控制器控制四象限變頻器對其運行速度進行微調(diào)并滿足與采煤機的跟隨距離。如果采煤機運行方向為下行，則控制電纜自動拖拽裝置進行恒轉(zhuǎn)矩跟隨下行運行。電纜自動拖拽裝置運行過程中有故障發(fā)生時，PLC控制器會觸發(fā)故障輸出信號，并在HMI顯示屏進行故障類別、發(fā)生時間的顯示，并觸發(fā)采煤機控制器和拖拽裝置控制器發(fā)出停車信號。

4模擬試驗

為驗證設(shè)計的采煤機電纜自動拖拽控制系統(tǒng)的功能，在地面搭建試驗環(huán)境進行模擬試驗，對采煤機和刮板輸送機進行設(shè)計改造，并模擬采煤機井下實際工作情況。將刮板運輸機設(shè)計為可彎曲±3°，水平±1.5°，底部喲個枕木抬高，模擬彎曲。在電纜槽中插入枕木用以模擬井下障礙，即該自動拖拽裝置遇到障礙物時，阻力增大，拖纜電動機輸出電流增大，當輸出電流大于設(shè)置值區(qū)間時，控制器發(fā)出過電流報警并發(fā)出停車信號，采煤機停止運行。在電纜槽中人工堆煤，運行阻力增加，采煤機牽引速度減?。粚⒍衙喝斯で謇硪徊糠?，運行阻力逐漸減小，采煤機牽引速度逐漸增加。在采煤機牽引速度增加或減小過程中，檢測電纜自動拖拽裝置運行速度，與采煤機牽引速度保持協(xié)同隨動。

5結(jié)語

電牽引采煤機供電電纜為采煤機提供動力源，若供電電纜發(fā)生碾軋、彎折等故障，將嚴重影響采煤機的生產(chǎn)效率。設(shè)計并實現(xiàn)電纜自動拖拽系統(tǒng)，在保護供電電纜的同時，能夠保證采煤機供電的持續(xù)和穩(wěn)定性，具有重要的生產(chǎn)實踐意義。

作者：張海嶺 單位：同煤集團四臺礦電訊隊