基于负载自适应预测的采煤机调速系统协同控制

2018-06-01高国强

机械管理开发 2018年5期

高国强

（阳煤一矿机电工区信息中心，山西阳泉 045008）

1 综采装备的协同工作过程

在综采工作面当中，采煤机、刮板输送机和液压支架是主要的机电装备，它们的尺寸必须相互匹配，在运行过程中要高度配合，这就是所谓的“三机配套”。通常，在水平运输和倾斜运输中，都可使用刮板输送机。在采煤环节中，采煤机的行走齿轮会啮合刮板运输机销排。这个时候，在采煤机煤壁侧安装的滑靴会在刮板运输机上滑动，可将采煤机视为在刮板运输机上来回运动，煤层高度会不断有起伏，这就需要在左右方向上调高油缸，从而改变截割滚筒的高度。实施截割时，采煤机将煤块破碎切割下来，螺旋叶片会将其送到刮板输送机中。煤炭通过刮板输送机被转到顺槽的刮板输送机端部后倾卸到转载机中，再经破碎机转移到带式输送机中，最终实现煤炭的开采、转运以及输送[1]。

2 基于刮板输送机负载预测的采煤机调速系统的功能

1）收集传感数据。收集各项参数，如刮板输送机机头、机尾电机电流、温度以及采煤机速度、方位等。

2）应用工业以太网实现S7协议通讯。在采煤机机载PLC、刮板输送机机载PLC、组合开关、顺槽PLC之间传输数据。

3）监控刮板输送机和采煤机的联合工作状态。通过顺槽监控主机，有效监测刮板输送机、采煤机的运行状况，将收集到的采煤机及刮板输送机的运行数据通过Win CC的监控系统显示出来。

3 基于刮板输送机负载预测的采煤机调速系统设计

3.1 系统总体构架设计

将系统划分为数据采集、数据通信和数据处理三部分。进行数据收集使用的传感器，由温度传感器、轴编码器和电流互感器等构成，主要是收集采煤机的速度、位置参数、电流参数。数据通信主要是创建系统网络通信平台，通过无线MESH交换机，布局于顺槽中，并在刮板输送机机载PLC、采煤机机载PLC实现数据的交换。通过数据处理部分来预测刮板输送机负载，检测刮板输送机、采煤机的状态，并通过远程控制采煤机机载PLC有效控制采煤机的速度。

通过数据采集部分，收集刮板输送机和采煤机数据，并传输至相应的机载PLC，机载PLC应用无线MESH交换网络，把各项数据传输至由顺槽控制的顺槽PLC和主控计算机，通过主控计算机来预测、判定刮板输送机负载，并控制采煤机的运行速度，使用无线MESH交换网络把调整速度的命令传输至采煤机机载PLC，使用采煤机机载PLC驱动变频器来调节采煤机的运行速度。该系统通过数据收集、网络通讯以及数据处理，分别创建传感器选型、工业以太网通讯平台设计和远程监控系统[2]。

3.2 选型

应用传感器收集的数据，主要有采煤机速度、方位以及刮板输送机的轴承温度、电机电流等。所以，所用的传感器大部分是温度传感器、电流互感器和轴编码器。温度传感器使用的是GWP200型，主要用于采矿生产中，在刮板输送机的机头和机尾处安装插入可拆式温度传感器，对电动机轴承的温度实施实施测量。电流互感器的型号为LMZ-1，在组合开关中安装使用，实时收集刮板输送机电流数据。轴编码器是一种矿用本安型轴编码器，型号为BQH24，在采煤机牵引减速箱内的低速轴上安装，运用轴编码装置脉冲来进行计数，通过这种方法能算出采煤机在开启计数后在刮板输送机上的运动距离，从而确定采煤机在工作状态中所在的方位。

3.3 工业以太网通讯平台设计

通过以太网通信系统来创建综采工作面，在此基础上，能实现远程监控以及综采工作面机电装备的自动化。在该系统中，设计网络通信平台，通过无线MESH交换机，布局于顺槽中，并在刮板输送机机载PLC、采煤机机载PLC实现数据的交换，所用的硬件主要有PLC控制器以及无线MESH交换机。在运用刮板输送机预测负载的基础上，创建采煤机调速系统所具有的网络拓扑结构，见图1。

图1 采煤机调速系统网络拓扑结构

要实现稳定、及时、同步的通讯，采煤机调速系统网络平台运用根据TCP/IP协议签订的西门子S7协议族，将不同的控制器的网络连接起来。通过STEP7实现它的Net Pro网络组态，这是不同机载PLC进行通讯的基础。通过分析可知，综采工作面所处的环境具有极高的复杂性，要通过有线网络实现通信，如果设备位置发生变化或者是综采工作面出现塌方，此时，通信电缆就会受到极大的破坏，从而切断通讯，其稳定性明显降低，导致综采工作面的生产状况受阻。出现的这些问题，应用无线Mesh交换网络机会顺利解决。该系统使用的是矿用本安型无线交换机，其型号为KJJ12 7000，能快速输出100/1 000 Mbps的以太网。应用于综采工作面的无线网络，其数据传输距离超过50 m，其以太光网信号接口和以太网信号接口分别为1个和2个，工作过程中的数据快速传输以及网络终端设备接入的需求能被充分满足[3]。

3.4 远程监控系统搭建

在远程监控系统中，包含的硬件主要是PLC控制器以及集中控制箱，其功能是预测并判定刮板输送机负载，明确显示刮板输送机和采煤机的状态数据和采煤机当中的PLC进行数据交换，从而有效控制采煤机速度。

在调速系统中，PLC控制器占据核心地位，控制器主要有采煤机机载PLC控制器、刮板输送机机载PLC控制器、顺槽PLC控制器以及组合开关PLC控制器，其型号都是SIMATIC S7-300。其任务主要是对传感器收集到的信息进行接收、处理。应用MESH交换网络以及工业以太网和顺槽控制系统交换信息，有效控制采煤机、刮板输送机的开启和停止，对采煤机的各项参数进行有效控制。

设计机载控制器，有效结合了监控参数的数量和特征，并将控制系统的输入输出融合在内，对PLC的硬件结构进行高效配置。该系统使用的是矿用隔爆兼本安型集中控制箱，型号为KXJ0.5-1140，能与在井下安装的无线Mesh交换机交换数据。集中控制箱是顺槽控制系统主要构成部件，主要由接线腔、变压器腔以及主控腔构成，见图2。集中控制箱内部构造复杂，包含多种工作设备，例如光电转换模块、SIMATICS7-300 PLC、HMI显示屏和工业计算机等。