綜采工作面“三機”聯動控制系統設計及仿真驗證

薄 帥

（西山煤電西銘礦， 山西 太原 030052）

引言

在當前自動化控制水平和設備性能均大幅提升的背景下，綜采工作面已經初步實現自動化生產，但是與無人工作面相比還存在一定的差距。實現綜采工作面的三機聯動控制是達到工作面無人化、自動化控制的基礎。同時，實現綜采工作面的三機聯動控制能夠減少工作面作業人員的數量，降低勞動強度，提高生產效率和安全性，實現煤礦的高產高效生產，并解決工作面事故頻發的問題[1]。本文重點對綜采工作面三機聯動控制系統進行設計，并通過仿真手段驗證系統的性能。

1 三機聯動控制工藝的設計

所謂“三機”指的是綜采工作面采煤機、刮板輸送機、液壓支架；除此之外，綜采工作面還需配套裝載機、破碎機、帶式輸送機和液壓泵站等。本文所研究聯機聯動控制應用的礦井年生產能力為4 Mt，工作面煤層的平均厚度為5.8 m，工作面所采用的采煤方式為長壁綜合機械化一次采全高方式，對應的最大采高為6.2 m，最小采高為3.2 m。目前，工作面所配置的采煤機的型號為MG900/2210-WD，液壓支架的型號為ZY12000/28/63D，刮板輸送機的型號為SGZ1250/3000。本節重點對三機聯動控制方案和控制系統進行設計。

綜采工作面三機聯動控制包括對采煤機截割煤層的方式控制、液壓支架的移架方式控制以及采煤機與液壓支架的聯動邏輯關系大的控制。具體通過結合采煤機的截割參數（滾筒高度、截割深度以及牽引速度等）對液壓支架的收護幫板、伸護幫板以及移架、刮板輸送機的推溜等進行聯動控制。為保證綜采工作面的安全生產，各個設備的聯動需滿足如下要求：

1）采煤機的聯動要求。根據刮板輸送機的運輸能力、液壓支架的移架速度和采煤機自身的截割能力，綜合確定采煤機的牽引速度；在三機聯動控制的基礎上，時刻監控刮板輸送機的實時運量，以對采煤機牽引速度進行聯動控制，保證刮板輸送機即不過載也不欠載。

2）液壓支架聯動要求。根據采煤機的實時位置和牽引速度，完成液壓支架幫板的伸縮、支架的升降等動作的聯動控制；同時，要求液壓支架的追機速度應大于采煤機牽引速度。

3）刮板輸送機聯動要求。通過監測刮板輸送機電機電流大小，以對其實時運量進行監測，并將監測結果反饋至采煤機牽引電機，從而實現對牽引速度的控制，進而對截割煤量進行控制，使刮板輸送機處于最佳運量下運行[2]。

在上述三機聯動要求的基礎上，設計的采煤機、刮板輸送機和液壓支架的三機聯動關系如圖1所示。

圖1 綜采工作面三機聯動關系

從圖1 可以看出，當采煤機向端尾方向牽引且中心位置處于28 號液壓支架時，1 號—10 號液壓支架的刮板輸送機段屬于推溜范圍，且已推溜至指定位置11 號—28 號液壓支架的刮板輸送機段正在進行推溜；17 號—21 號液壓支架已經完成移架；22號—28 號液壓支架開始移架；15 號—28 號液壓支架開始伸護幫板；29 號—36 號液壓支架開始收護幫板。

綜采工作面三機聯動控制的一個工作流程如圖2 所示。

圖2 三機聯動控制工作流程

2 三機聯動控制系統的設計

在上述三機聯動關系和工作流程的基礎上，為其匹配可靠的控制系統才能夠保證聯動工藝功能的實現。實際上，三機聯動控制系統的核心在于根據采煤機的實時位置和牽引速度對液壓支架的伸收護幫板、升降支架、移架以及推溜等動作進行控制[3]。結合三機聯動控制系統的功能，特設計如圖3 所示的三機聯動控制系統結構。

如圖3 所示，三機聯動控制系統的地面管理層主要對各級設備運行狀態進行存儲、顯示以及遠程監視等。巷道監控層主要由UPS 電源、監控中心和三機聯動控制器組成。其中，UPS 電源主要為整個系統提供不間斷電源；監控中心主要對設備層的運行狀態進行可視化監測；三機聯動控制器根據監測結果輸出控制指令，以對液壓支架、刮板輸送機和采煤機進行控制。

圖3 三機聯動控制系統總體結構

2.1 三機聯動控制系統的硬件設計

三機聯動控制系統的硬件設計主要是對相關控制器、傳感器和通信硬件進行選型設計。涉及到的控制器包括有三機聯動控制器液壓支架控制器、刮板輸送機控制系統和采煤機控制系統的PLC 控制器。結合現場環境相對惡劣的情況和輸入/輸出點的個數，選擇S7-300 系列PLC 控制器為核心控制器[4]。

涉及到的三機聯動控制系統的傳感器包括有分別對采煤機、液壓支架以及刮板輸送機運行狀態進行監測的傳感器。結合三機聯動控制系統的功能，對應的傳感器選型結果如表1 所示。

表1 三機聯動控制系統傳感器選型結果

整個系統采用PROFIBUS 通信協議進行通信。其中，PLC 與PLC 之間采用RS422 數據線進行通信；地面監測上位機和聯動控制器之間采用CP342-5 通信模塊實現通信功能。

2.2 三機聯動控制系統的軟件設計

三機聯動控制系統的核心控制器為PLC，因此采用組態軟件對其控制軟件進行設計。結合三機聯動控制系統的功能，為其編制主程序，并根據實際生產工況分別調用工作面設備啟?？刂瞥绦?、采煤機自動牽引程序、液壓支架跟機動作決策程序、負荷自適應程序，以滿足采煤機、液壓支架以及刮板輸送機的三機聯動控制要求[5]。三機聯動控制系統的主程序流程如下頁圖4 所示。

圖4 三機聯動控制系統主程序控制流程圖

3 三機聯動控制系統仿真試驗

為驗證本文所設計的三機聯動控制系統的功能，對其控制過程進行仿真試驗。三機的聯動監控和刮板輸送機實時運量的監測結果如下頁圖5、圖6所示。

圖5 三機聯動控制監控畫面

圖6 刮板輸送機實時運量的監測結果

4 結語

采煤機、刮板輸送機以及液壓支架為綜采工作面的“三機”，綜采工作面三機聯動控制對實現綜采工作面的自動化、無人化運行具有重要意義。在三機聯動控制系統的基礎上，根據采煤機的實時位置和牽引速度及方向對液壓支架護幫板的伸縮、支架的升降以及移架、推溜等任務進行聯動控制，保證綜采工作面的安全、高效生產。通過實踐表明，基于綜采工作面三機聯動控制系統能夠實現采煤機、液壓支架以及刮板輸送機的聯動控制，并對各設備的運行狀態進行監測和顯示。