采煤機電纜自動控制系統設計研究

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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，設計并實現電纜自動拖拽控制系統。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同隨動，并可根據采煤機運行方向協同配合。詳細分析系統組成、硬件以及軟件設計。在地面搭建模式試驗場地，模擬井下坡度、障礙物試驗。模擬實驗結果表明，設計并實現的電纜自動拖拽控制系統能夠保證采煤機供電電纜與采煤機協同隨動，不發生彎折以及二次彎折故障，保證采煤機供電的持續性和可靠性。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，會導致采煤機供電電纜的碾壓、磨損甚至斷裂，導致頻發維護以及更換供電電纜，間接影響采煤機的生產效率。研究并設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，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生彎折或二次彎曲。國內根據急傾斜煤層采煤機開發出液壓絞車型電纜拖拽系統，該系統輸出恒定張力，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。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了一種電纜收放裝置，通過對應的液壓控制閥進行控制，可實現電纜的令排列機構做往復式運動，解決了電纜的二次彎折問題，但是該裝置需人工操作。山東能源集團開發的TL445/630G自動拖纜裝置，采用動滑輪系統，實現了電纜夾與采煤機同步行走，并可實現自動換向。但該裝置在實際使用中，動滑輪系統中的鋼絲繩可能會被煤塊砸中，可靠性不佳。根據綜采工作面采煤機供電電纜實際運行情況，設計以PLC控制器為核心的電纜自動拖拽控制系統。

1系統組成

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同隨動運動，該裝置的控制系統組成如圖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編碼器用于采集電動機的實時轉速以及位置信息并發送至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，并根據采煤機運行速度控制變頻器的給定轉速或給定轉矩。變頻器以CAN/CanOpen總線模式將其運行數據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通信模式將數據傳送給HMI顯示屏進行顯示。為與采煤機運行實現協同隨動運動，電纜自動拖拽裝置的PLC控制器與采煤機控制器需進行數據交互，以Can通信模式實現。

2硬件設計

采煤機電纜自動拖拽控制系統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、啟動/停止開關、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要求。考慮到綜采工作面環境惡劣，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，該變頻器具備轉速、轉矩以及恒轉速、恒功率運行模式，可實現變頻電動機的無極調速，調速范圍較大，且自帶PID、模糊PID等多種內嵌控制算法。同時該變頻器可實現電源側/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、穩定運行。HMI顯示屏選用MCGS組態軟件系統，可快速生成監控系統，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境要求。變頻異步電動機為按照要求定制開發。

3軟件設計

采煤機電纜自動拖拽控制系統的軟件流程見圖2所示。系統上電后，首先完成初始化以及系統自檢工作，當系統自檢有故障時，需進行故障恢復。當該控制系統檢測到有采煤機信號后，判斷采煤機當前狀態時上行還是下行。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矩跟隨下行運行。電纜自動拖拽裝置運行過程中有故障發生時，PLC控制器會觸發故障輸出信號，并在HMI顯示屏進行故障類別、發生時間的顯示，并觸發采煤機控制器和拖拽裝置控制器發出停車信號。

4模擬試驗

為驗證設計的采煤機電纜自動拖拽控制系統的功能，在地面搭建試驗環境進行模擬試驗，對采煤機和刮板輸送機進行設計改造，并模擬采煤機井下實際工作情況。將刮板運輸機設計為可彎曲±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，當輸出電流大于設置值區間時，控制器發出過電流報警并發出停車信號，采煤機停止運行。在電纜槽中人工堆煤，運行阻力增加，采煤機牽引速度減小；將堆煤人工清理一部分，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同隨動。

5結語

電牽引采煤機供電電纜為采煤機提供動力源，若供電電纜發生碾軋、彎折等故障，將嚴重影響采煤機的生產效率。設計并實現電纜自動拖拽系統，在保護供電電纜的同時，能夠保證采煤機供電的持續和穩定性，具有重要的生產實踐意義。

作者：張海嶺 單位：同煤集團四臺礦電訊隊