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采煤机基于PLC的智能控制系统的设计

2023-09-15 66 上传者：管理员

摘要：为了解决传统采煤机控制系统性能低、故障率高的问题，设计了一种基于PLC控制技术的新型智能采煤机控制系统。在对采煤机的结构组成及原理进行简单分析后，以PLC控制手段为核心，展开了对系统总体结构与功能的设计。试验证明，所研制的采煤机智能控制系统对提高采煤机的作业效率具有良好的效果，减少了事故的发生，确保了煤矿的高效、稳定、连续生产。

关键词：
PLC
智能化
智能控制系统
煤矿
采煤机
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目前，国内煤矿煤矿的许多控制系统还在使用传统的交流升降机电气控制，即TKD电气控制。在转速调节方面，通过接触器对转子的电阻进行控制，实现转速的调节。尽管该方案已经比较成熟，得到了广泛的应用，但是其自动化程度、智能化程度都不高，其接线方式也比较落后[1]。如某个部件出现了问题，不仅检修起来很困难，还会导致整个系统的整体故障。PLC控制器在使用时十分方便，内部集成多个模块，体积小、控制性能强。该方法用于煤矿井下设备的监控，可以实时对井下生产设备的运行状态进行控制，使矿井的现代化管理和安全、稳定运行得到了明显的改善。

1、采煤机的结构组成及原理

根据传动方式，采煤机分为液压驱动式和电驱式，现阶段我国主要是采用电驱式来进行作业生产[2]。电驱式采煤机包括多种子系统，每个子系统具有的功能也相同，图1为电牵引采煤机的结构示意图。

行走子系统主要由驱动装置、行走箱以及运行轨道等结构组成，实现了采煤机在水平状态下的平稳行驶；调高子系统主要由驱动装置、滚筒以及关键阀门组成，对截割滚筒的截割高度进行调节，从而便于切断煤墙，配合采煤机截割不同高度的煤层；截割子系统主要包括截割部、截齿以及截割滚筒，主要负责采煤的过程，其内部电机将传动力矩作用到截割滚筒上，使截割滚筒转动，从而把煤排出。

2、智能控制系统的设计与实现

2.1系统总体结构的设计

设计的采煤机智能控制系统总体结构框架如图2所示，核心的控制部件由主从PLC控制器构成，可以实现对智能控制系统所采集的各种重要参数进一步处理。电牵引采煤机内部有三种类型的电动机，即牵引电机、截割电机以及破碎电机，需要对电机电流、温度、油温、油位等信息进行实时采集，而这些重要运行参数的获取正是通过PLC控制的各种传感器来实现的。此外，智能控制系统中的变频器也受到PLC控制器的控制，它由主变频器和副变频器构成，正好对应采煤机两个牵引电机的一对一变频控制。采煤机智能控制系统的人机交互界面、声光报警以及远程键盘操作同样经由PLC控制器来进行调节，可以对采煤机的工作状况、设计参数以及故障预警信息等进行实时监控。键盘输入模块可对采煤机实现紧急情况下的管理。此外采煤机智能控制器中还安装了智能的远程监测控制器，与采煤机的内外通信系统均使用了CAN总线实现通信，从而达到了灵活、实时、高质量的通信效果。

图1电牵引采煤机的结构示意图

2.2 PLC程序设计

针对电力牵引采煤机的模糊控制需求，为了实现智能化控制，将PLC型号定为S7-300型。在采用自动控制的情况下，通过S7-300 PLC对各传感器的输入输出状态进行预处理，从而获得了综采工作面相关设备的关键运行参数，如采煤机摇臂的高度、截割滚筒的受力状态等。通过PLC主控程序，可以实现对上述关键参数的模糊处理，进而能够得到对应的控制信号。

图2采煤机智能化控制系统的结构框图

根据预定的截割路线，PLC对拖轮变频器和摇杆进行控制，当信号断开时，通过变频器的输出来降低拖动速度，经由截割、破碎等过程来提高采煤效率，使刮板输送机实现功率匹配，达到高效、高产的目的。采用S7-300 PLC对滚筒高度、传动功率、摇臂振动和电机温度进行预处理，并对BP神经网络进行了改进。针对采煤过程中参数的变化，对模糊控制中的字段和规则进行了优化，并将其存储在PLC数据块中。在S7-300PLC上按照预定的采煤机运动曲线进行自动控制，通过调整后的字段和规则，对计量数据加以调整，进而达到对采煤机运行工况的监控。

2.3系统功能的实现

智能控制系统的实现分为硬件部分和软件部分，硬件部分包括PLC主从控制器、变频器、各类传感器、CAN总线通信隔离栅、模拟隔离栅、DC 24 V供电模块[3]。根据每个设备的外部接线法，画出电路图，并根据所示的线路进行实际的接线。在设计硬件部件时，需要考虑以下几个方面：

1）在连接电源时要注意直流、交流以及电压的区别；在连接传感元件时，需要考虑是否为电流或电压，以及信号的输出区域；在CAN总线通信隔离栅的布线中，应考虑到终端的电阻；在主次变频器与PLC的主控器连接时，需要使用专用的CAN总线通信型屏蔽电缆，从而减少外部环境的干扰，以确保CAN总线的通信品质。

2）在设计采煤机智能控制系统的软件模块时，根据设备特点将主要包括控制系统初始化、对数据输入的延迟处理、模拟量数据处理、CAN总线通信管理、逻辑处理、变频器调速、电控自动跟踪、事故报警功能等。而煤炭井底的智能控制系统则包括实时监控与远距离遥控两大类。利用按钮和触摸屏实现自动操作，可以进行水泵控制，冷却水喷雾控制，截煤破碎和牵引等操作。在自动控制中，可以通过对功控系统的自动控制和监视功能进行检测，当与PLC主从控制器通信无误后，便能够进行对采煤机牵引、煤壁截割、水泵和制冷系统等的监控操作。

3、上位机监控系统的设计

在完成PLC智能监控系统的下位机控制方案后，又针对上位机的监控系统进行了功能的设计。上位机监控系统的主要功能是接收、存储下位机的数据，并将其显示在显示屏上，并能实现遥控、一键启停等功能。上位机的人机交互界面采用的是由SCADE嵌入式代码管理系统自主生成的组态软件，主要包括了服务器的信息管理层面以及客户端的信息管理层面。在这里面，服务器管理层能够对其监测信息数据进行转换处理、统计保存；而服务器端的管理人员则能够使用其通信功能获得服务器中的所有操作数据，并以此实现人机交互的目的，即时监测控制系统中布置的所有传感器的工作状况，并设定适当的系统工作参数。通过在客户地下安装高清摄像头，可以实现对采煤机运行的在线监控效果；服务器的管理层可以存储系统的实时运行参数，并通过上位机来对这些视频数据进行查看，上位机监控系统网络拓扑结构如图3所示。

图3上位机监控系统网络拓扑结构

PLC控制器选用西门子系列PLC，通过PROF-FIBUS总线与上位机相连接进行通信。该方法可以实现多点总线的联接，降低了系统设备间的信号干扰，提高了系统的可靠性和安全性。

4、应用效果分析

为检测该采煤机智能化系统的可行性与正确性，在某矿井综采作业面中开展了一次工业性测试。本试验中使用的MG110/265-BDW矮式电驱采煤机，其突出优点是机体较短小、结构紧凑、机械刚度较好、生产效率高。关于该型采煤机的主要技术参数，见表1。

通过对采煤机运行时间、左右牵引电机电流、破碎电机电流、切割电机电流等关键数据进行统计分析，采煤机运行效率约为70%，故障率下降51%，达到高效、智能、连续采煤的目的。

5、结语

采煤机的智能化和信息化是提高综采工作面智能化程度的重要环节，它与液压支架、刮板输送机之间相互协调作业，其内部关系也较为复杂。本文以PLC为核心，代替传统的交流提升机控制系统，设计了一种新型的智能采煤控制系统。为了验证该系统可靠性，进行了一次工业性试验，结果表明，设计的智能控制系统能有效地提高井下的生产效率，使控制更加灵活。该系统的成功设计，对煤矿井下矿井的安全、稳定运行有着重要的指导作用。

参考文献:

[1]和学军基于PLC的采煤机智能控制系统设计[J]当代化工研究, 2021(14):90-91.

[2]刘晓鹏基于PLC的采煤机智能控制系统设计[J].机械管理开发, 2022(2):230-232.

[3]米娟芳.基于PLC的电牵引采煤机智能控制系统设计[J]煤矿机械,2021(4):188-191.

文章来源:史瑞姣.基于PLC的采煤机智能控制系统的设计[J].机械管理开发,2023,38(09):200-201+204