国家能源集团宁夏煤业有限责任公司汝箕沟无烟煤分公司 宁夏石嘴山 753003
摘要：煤炭是我国最重要的一次能源之一，是我国能源的基石。随着科学技术的进步，综采技术水平不断提高。为了适应生产自动化、智能化和能源安全的发展，稳定可靠、经济高效的自动化采煤技术显得越来越重要。采煤机是煤矿设备的关键设备，是实现少人甚至无人工作面的核心设备。目前我国的煤矿机械大多由操作人员操作或远程控制，自动化程度低，工人的安全得不到保障。本文采用工作面生产的自动控制方式，辅以监控控制方式，以PLC为控制核心，设计了一套煤矿采煤机自动控制系统，实现采煤机的自动切割。
关键词：煤矿采煤机；自动化控制系统；研究和设计
一、总体方案
采煤机在矿山工作，工作环境比较恶劣，机械结构比较复杂。根据结构和功能，整机可分为左右牵引部分、左右切割部分、挡板、电控箱和辅助系统部分。切割部分包括切割滚筒、摇臂、切割电机、冷却喷淋系统、加高系统等。切割电机产生的动力通过摇臂减速器减速带动滚筒旋转，实现装煤。牵引部分可以控制采煤机的方向和速度。采煤机电气控制箱由开关箱、变压器箱、变频器箱和线路组成，保证采煤机的电源和安全运行。挡板用于采煤，保护采煤机的功能。因此，结合采煤机的结构和功能，将采煤机自动控制系统分为牵引控制模块、切割控制模块、仰角控制模块和安全监控模块。采煤机总体结构如图1所示。
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图1采煤机的整体结构
二、系统整体设计
考虑到采煤机复杂的工作环境、采煤机生产对安全可靠性要求高、开发成本高、技术要求高等因素，选择开发技术相对成熟的PLC作为采煤机自动控制系统开发的原始部分。采煤机的PLC为核心的自动控制，通过STEP7软件同时，使用梯形图编程语言（小伙子）对PLC进行配置，利用采煤机运行的通信模块生产模拟和数字采集、处理并给予指导，结合当前主流变频调速技术完成对采煤机的控制，监控和保护。系统硬件模块包括PLC、变频器、显示触摸屏、控制线、通信网络等。PLC采用西门子s7-300型，I/O模块丰富，设计紧凑，适用于恶劣环境。CPU模块选择标准cpu315-2dp。逆变器为ABB acs800-11，可将工频转换为另一频率。结合PLC实现对两台牵引电机的安全、有效控制。采煤机控制系统总体结构如图2所示。
1、牵引控制设计
采煤机工作在矿井内，工作环境湿度大，路况狭窄，且可能存在坡度。牵引部分控制采煤机的行走，决定行走方向与速率以及行走的启动与停止。PLC通过一主一从2台变频器左右2个牵引电机，主从变频器之间采用modbus通讯协议可实现通讯，工作时主控制器给定牵引速度，经由主四象限变频器得到转矩输出，从变频器将此转矩作为指令。针对采煤机工作过程中，容易出现的左右牵引电机负荷不平衡造成的电机损坏，将左右电机的转矩作为控制器输入，根据两者残差，调整频率，实现平衡负荷目的。针对运行过程可能出现滑坡设计了防滑刹车控制，当出现运行速度为非正值或刹车信号时，防滑刹车自动启动。正常牵引速度情况下，自动松闸。
2、截割控制设计
截割煤块是采煤机的核心功能，因此截割控制是保证采煤机正常工作的关键。主控制器通过控制2台截割电机的启动与停止，来保证采煤机破煤动作。同时，控制两侧摇臂的升高与降低来实现调高决定切割面的高度。正常情况下，截割电机以设定稳定功率运行，当出现电机温度过高超过130℃或者电机电流过大超过110%时，控制系统会自动减低功率甚至强制停机，减小负载，以保证采煤机安全。
3、调高控制设计
目前采煤机在实际工作中，依据操作人员经验目测控制截割位置高度，因此存在切割位置不充分，容易发生冲击顶板的现象。针对目前存在的不足，并结合采煤机调高原理设计了采煤机的调高控制模块，可实现对采煤高度的连续控制。控制过程中，根据油缸的位移传感器采集信息，获得截割滚筒的位置信息，经过A/D转换，传递给控制器，控制器得出控制信号，经过D/A转化，控制换向阀开度，实现伸缩油缸油量控制，调整截割滚筒位置高度。与此同时，利用压力传感器，获得采煤机的滚筒负载情况，与调高参数对应储存，构成历史数据库高效管理。当煤层变化引起负载变化时，控制器根据存储的历史数据与采集数据进行比对，调整液压高度，完成自适应调高控制。
4、状态监测设计
状态监测系统包括对运行环境、控制指令以及采煤机自身的监测与报警，来保护设备及生产安全。运行环境监测包括对煤矿内瓦斯浓度的监测；采煤机自身监测包括对2台牵引电机、2台截割电机的温度监测与电流监测，变频器设备的绝缘监测、故障信号监测；控制指令监测则包括对电动机转速、电流、功率执行情况，各个回路的电流电压监测，各辅助设备包括供水冷却系统，液压系统，散热器的压力、温度等参数监测。状态监测通过传感器感知电气设备测点位置的温度和电流等相应信号模数转换后，经过数据预处理与调理模块处理由信号模块（SM）传输给PLC、监测模块分别判断设备的运行状况，决定是否报警，并将监控结果直观地显示给工作人员。
三、网络通信
PLC作为采煤机自动化控制系统的核心，利用现场总线网络与其他各设备之间进行连接与通讯。S7-300PLC主站与ABB变频器从站通过PROFIBUS-DP实现主从连接和主从通讯。主变频器与从变频器通过modbus协议实现通讯。状态监测模块对各监测点相应传感器模拟量信号进行初步预处理与信号调理，由PLC的信号模块（SM模块）采集，送至PLC控制器，监控模块根据控制算法判断故障与否，决定是否发出报警或保护动作。显示屏通过RS-485串口通信实现与PLC连接通讯。
四、软件测试
为了验证系统的控制效果，根据企业现有条件，利用2台变频器与2台0.7KW三相变速电机，对系统牵引控制与截割控制、调高控制与状态监测分别进行了验证。利用控制程序对牵引电机进行启动、停止左右牵引控制、调速控制；对截割电机进行启动、停止、稳定功率运行控制；对油泵电机仿真控制；对传感器采集温度，电流以及变频器信号进行显示。结果表明，该系统控制效果良好，可实现设计功能。
结束语
本文研究设计了一种煤矿企业自动控制系统，主要完成了系统总体方案的设计，硬件结构的选择，软件部分的主要程序流程图的设计。该系统可实现采煤机牵引行走、采煤、截煤、自动调高等功能，工作人员可实时监控采煤机的运行情况。同时，控制系统具有报警功能，在发生故障时，可以实现预警作用。该系统的应用可以大大提高采煤机的自动化程度，保证采煤机的安全稳定运行，保护煤矿财产安全及工人的生命健康，提高经济效益。
参考文献：
［1］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.
［2］葛帅帅，秦大同，胡明辉.突变工况下滚筒式采煤机调速控制策略研究［J］.煤炭学报，2015，40