摘要：介紹了采煤機(jī)動(dòng)力電纜拖拽裝置及其運(yùn)行影響因素。根據(jù)采煤工藝、采煤機(jī)與電纜拖拽裝置在工作面的運(yùn)行軌跡，提出了電纜拖拽裝置跟機(jī)自適應(yīng)控制系統(tǒng)，研究了系統(tǒng)組成和控制策略。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明：電纜拖拽裝置能自適應(yīng)跟隨采煤機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)電纜1次彎折并保持張緊狀態(tài)，有效提高了采煤機(jī)電纜的壽命，減少了電纜的故障發(fā)生率，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)電纜的無(wú)人監(jiān)視，進(jìn)一步提高了綜采工作面的智能化與無(wú)人化。

　　關(guān)鍵詞：采煤機(jī);電纜拖拽;跟機(jī)自適應(yīng)控制;無(wú)人化;智能化

　　引言隨著煤礦智能化開采的推進(jìn)，綜采工作面正向少人化和無(wú)人化發(fā)展。采煤機(jī)運(yùn)行時(shí)動(dòng)力電纜隨著采煤機(jī)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在截三角煤時(shí)，電纜容易發(fā)生多層疊加、刮卡掉道，嚴(yán)重影響電纜的使用壽命，還可能發(fā)生電纜短路、接地等事故，需要人工實(shí)時(shí)觀察并及時(shí)處理，增加了人力勞動(dòng)及成本，對(duì)于薄煤層工作面狹小的空間，大大增加了安全隱患。因此為提高自動(dòng)化程度，降低人員安全風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)工作面無(wú)人化開采，采煤機(jī)電纜拖拽裝置已經(jīng)成為發(fā)展的必然。目前國(guó)內(nèi)采煤機(jī)電纜拖拽裝置電控系統(tǒng)研究方向主要分為速度控制和恒轉(zhuǎn)矩控制。

　　煤礦論文范例： 煤礦掘進(jìn)中的深孔爆破技術(shù)分析

　　速度控制方式根據(jù)動(dòng)滑輪的原理，以拖纜小車運(yùn)行速度為采煤機(jī)運(yùn)行速度的1/2為基礎(chǔ)，控制拖纜小車位置而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)拖纜小車的速度，使拖纜小車位置始終在對(duì)應(yīng)的電纜彎折點(diǎn)處;但隨著采煤工藝的不同與工作面條件的變化，采煤機(jī)行走距離與拖纜小車行走距離會(huì)有誤差存在，導(dǎo)致編碼器測(cè)量的位置出現(xiàn)偏差，且無(wú)法消除。

　　常用解決辦法是通過(guò)視頻觀察采煤機(jī)電纜夾的張緊情況進(jìn)行手動(dòng)干預(yù)調(diào)節(jié)拖纜小車的速度。恒轉(zhuǎn)矩控制方式通過(guò)變頻器輸出恒定轉(zhuǎn)矩，使拖纜小車始終拉緊電纜(上行)或只驅(qū)動(dòng)拖纜小車(下行)，但當(dāng)遇到卡阻等外力時(shí)，變頻器無(wú)法及時(shí)識(shí)別并響應(yīng)轉(zhuǎn)矩輸出，導(dǎo)致變頻器發(fā)生堵轉(zhuǎn)，拖纜小車停止不動(dòng)。針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種跟機(jī)自適應(yīng)采煤機(jī)電纜拖拽裝置，其電氣控制系統(tǒng)采用了基于位置環(huán)和速度環(huán)的PID控制，并結(jié)合采煤機(jī)牛頭拉力、電機(jī)轉(zhuǎn)矩參數(shù)調(diào)節(jié)電纜拖拽裝置拖動(dòng)采煤機(jī)電纜保持1次彎曲運(yùn)行，并在神東榆家梁煤礦薄煤層工作面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

　　1電纜拖拽裝置的組成電纜拖拽裝置由機(jī)械部分和電氣部分組成。

　　1.1采煤機(jī)電纜拖拽裝置機(jī)械部分的組成

　　采煤機(jī)電纜拖拽裝置機(jī)械部分主要由驅(qū)動(dòng)部、軌道、拖纜小車、傳動(dòng)部、回轉(zhuǎn)部組成。①驅(qū)動(dòng)部主要由電機(jī)、聯(lián)軸器、減速機(jī)組成，為整個(gè)拖纜裝置提供動(dòng)力;②軌道主要由軌道底 座、主動(dòng)導(dǎo)軌、從動(dòng)導(dǎo)軌以及導(dǎo)向裝置組成，為整個(gè)電纜拖拽裝置提供支撐和保護(hù);③拖纜小車由導(dǎo)向輪、車體、滑靴、清煤裝置等組成，主要作用是拖動(dòng)電纜夾跟隨采煤機(jī)運(yùn)行;④傳動(dòng)部主要由鏈輪、回轉(zhuǎn)輪、鏈條等傳動(dòng)件組成，鏈條回路在拖纜小車處閉合，形成循環(huán)往復(fù)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài);⑤回轉(zhuǎn)部由回轉(zhuǎn)輪、彈簧缸、張緊油缸、固定座等組成，提供電纜拖拽裝置所需的張緊力。在采煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，拖纜小車在刮板輸送機(jī)電纜槽內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，始終跟隨采煤機(jī)移動(dòng)，拖纜小車速度為采煤機(jī)速度的1/2，電纜夾在導(dǎo)向輪處只產(chǎn)生1次彎折，保證電纜只有2層疊加。

　　(1)電控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由隔爆兼本質(zhì)安全型PLC控制箱、防爆變頻器、防爆變頻電機(jī)、編碼器、拉力傳感器、限位開關(guān)、校準(zhǔn)開關(guān)、急停開關(guān)等組成。控制箱內(nèi)PLC控制器為電纜拖拽裝置的核心部件，其讀取采煤機(jī)當(dāng)前的運(yùn)行速度、方向、拉力，經(jīng)過(guò)對(duì)采煤機(jī)牛頭拉力、電纜拖拽裝置電機(jī)轉(zhuǎn)矩、拖纜小車位置、拖纜小車速度運(yùn)算后得出拖纜小車應(yīng)運(yùn)行的速度，控制變頻器調(diào)節(jié)輸出給定轉(zhuǎn)速，使拖纜小車跟隨采煤機(jī)運(yùn)行。

　　PLC控制器選用西門子1200系列緊湊型PLC1215C，可以適應(yīng)井下綜采工作面面臨的高溫高濕、粉塵大、電磁干擾等復(fù)雜環(huán)境。變頻器采用ABB品牌產(chǎn)品，其獨(dú)特的直接轉(zhuǎn)矩控制，可以快速響應(yīng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化。拖纜小車編碼器使用多圈絕對(duì)值編碼器，可以精確地測(cè)量拖纜小車的位置與速度，并有效地記憶當(dāng)前小車的位置，通過(guò)高速CAN通信傳輸給PLC控制器。校準(zhǔn)開關(guān)、限位開關(guān)位于機(jī)尾，當(dāng)采煤機(jī)和拖纜小車運(yùn)行到機(jī)尾時(shí)，對(duì)拖纜小車位置進(jìn)行校準(zhǔn)，防止位置誤差累積。

　　(2)鏈條自動(dòng)張緊系統(tǒng)主要包括張緊油缸、張緊壓力傳感器、支架控制器等。支架控制器可本地控制或接收PLC控制器以及上位機(jī)下發(fā)的張緊力調(diào)節(jié)命令。在拖纜小車運(yùn)行前可預(yù)張緊鏈條，在拖纜小車運(yùn)行中可自動(dòng)調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)部張緊油缸的壓力，保證電纜拖拽裝置鏈條始終處于張緊狀態(tài)，消除拖纜小車換向時(shí)的余鏈。

　　(3)上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括電纜拖拽裝置主機(jī)、采煤機(jī)主機(jī)、電液控主機(jī)。上位機(jī)系統(tǒng)由天瑪公司自主研發(fā)的LongWallMind組態(tài)軟件設(shè)計(jì)，通過(guò)礦用網(wǎng)線接入工作面以太環(huán)網(wǎng)。LongWallMind專門為井下工作面設(shè)計(jì)了可視化操作界面，具有高效的通信能力，支持多種協(xié)議，能與不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備互聯(lián)，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、存儲(chǔ)、管理。①電纜拖拽裝置主機(jī)監(jiān)測(cè)電纜拖拽裝置的運(yùn)行狀態(tài)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)警顯示，工作面支架攝像頭和煤機(jī)攝像頭可以實(shí)時(shí)跟隨拖纜小車和采煤機(jī)，實(shí)現(xiàn)可視化;②采煤機(jī)主機(jī)與采煤機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互、顯示;③電液控主機(jī)監(jiān)測(cè)工作面支架狀態(tài)和電纜拖拽裝置回轉(zhuǎn)部自動(dòng)張緊狀態(tài)。

　　2影響采煤機(jī)電纜拖拽裝置運(yùn)行的因素

　　采煤機(jī)電纜拖拽裝置的運(yùn)行軌跡與采煤機(jī)的運(yùn)行軌跡一樣，需要符合采煤機(jī)的采煤工藝要求。影響電纜拖拽裝置運(yùn)行的因素主要有截煤過(guò)程中的頻繁換向、工作面的起伏、設(shè)備在工作面運(yùn)行的刮卡阻力。

　　(1)在雙向截煤工藝中，采煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程中要經(jīng)過(guò)截底煤、清浮煤、斜切進(jìn)刀、截三角煤、正常截煤5個(gè)工藝階段，其中需要2次斜切進(jìn)刀、截三角煤，4次截底煤、8次清浮煤。在整個(gè)過(guò)程中，采煤機(jī)運(yùn)行方向改變14次，電纜拖拽裝置同樣需要跟隨采煤機(jī)換向14次，多次往返容易形成位置累積誤差。

　　(2)礦區(qū)采煤工作面的地質(zhì)條件千差萬(wàn)別，即使是同一個(gè)礦井不同的工作面，甚至同一個(gè)工作面的不同時(shí)間，工作面的環(huán)境條件也不相同，刮板輸送機(jī)中部槽節(jié)與節(jié)之間有30mm間隙，上下彎曲最大3°，左右彎曲最大1°，導(dǎo)致采煤機(jī)和拖纜小車在刮板輸送機(jī)上的運(yùn)行軌跡為曲線，且非同一條曲線。這引起了兩者相對(duì)位置的改變，并非嚴(yán)格的動(dòng)滑輪速度為1/2的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

　　(3)電纜拖拽裝置軌道搭建于刮板輸送機(jī)電纜槽內(nèi)，同樣需要適應(yīng)刮板輸送機(jī)中部槽節(jié)與節(jié)之間的間隙、上下左右彎曲，無(wú)論電纜夾在電纜槽內(nèi)被拖動(dòng)還是電纜拖拽裝置鏈條在軌道內(nèi)運(yùn)行，都難免會(huì)出現(xiàn)刮卡現(xiàn)象。當(dāng)有煤落入電纜槽內(nèi)軌道上時(shí)，對(duì)拖纜小車運(yùn)行也增加了阻力。由于上述因素的存在，電纜拖拽裝置采用基于位置的速度控制或基于力矩的恒轉(zhuǎn)矩控制都不能完全適應(yīng)采煤機(jī)的運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)輸出力矩過(guò)大拉斷電纜或停滯堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。本文通過(guò)編碼器計(jì)算拖纜小車位置、拉力傳感器檢測(cè)采煤機(jī)牛頭電纜拉力，以速度、位置、拉力、轉(zhuǎn)矩相結(jié)合的方式，自適應(yīng)調(diào)節(jié)拖纜小車跟隨采煤機(jī)運(yùn)行。

　　3采煤機(jī)電纜拖拽裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　具體控制流程：

　　(1)控制箱內(nèi)PLC控制器通過(guò)CAN通信讀取采煤機(jī)當(dāng)前運(yùn)行速度、位置與狀態(tài)信息，PLC通過(guò)與編碼器CAN通信計(jì)算出拖纜小車當(dāng)前的運(yùn)行速度、位置信息。首先以采煤機(jī)運(yùn)行速度的1/2作為變頻器調(diào)節(jié)的主要依據(jù)，以變頻器內(nèi)部速度環(huán)PID調(diào)節(jié)變頻器輸出電機(jī)轉(zhuǎn)速，以保證拖纜小車運(yùn)行速度為采煤機(jī)運(yùn)行速度的1/2，變頻器根據(jù)負(fù)載情況自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩，即電機(jī)轉(zhuǎn)矩。PLC運(yùn)行3個(gè)負(fù)反饋PID閉環(huán)控制，輸入量分別是采煤機(jī)牛頭電纜拉力的誤差、電機(jī)轉(zhuǎn)矩的誤差、拖纜小車位置的誤差，將輸出結(jié)果疊加至拖纜小車的位置給定和拖纜小車的速度給定中。

　　(2)在上行階段(采煤機(jī)往機(jī)尾行走)，電纜夾摩擦阻力隨著采煤機(jī)位置不同而成線性變化，K為比例系數(shù)。若電機(jī)轉(zhuǎn)矩超出了采煤機(jī)位置對(duì)應(yīng)的電纜夾拖拽阻力，經(jīng)PID運(yùn)算后，輸出位置偏差1。采煤機(jī)牛頭不拉動(dòng)電纜夾，拉力傳感器測(cè)量值與較小的牛頭拉力給定值比較計(jì)算，輸出位置偏差2。其中電機(jī)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)方式占比較大，兩者疊加到拖纜小車運(yùn)行位置給定中，修正因工作面地質(zhì)條件引起的位置偏差。

　　(3)在下行階段(采煤機(jī)往機(jī)頭行走)，電機(jī)僅驅(qū)動(dòng)拖纜小車空載運(yùn)行，采煤機(jī)牛頭拉電纜夾，且拉力隨采煤機(jī)的位置成線性變化。同樣對(duì)牛頭拉力傳感器和電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行PID運(yùn)算，其中牛頭拉力傳感器作用占主導(dǎo)地位，兩者輸出結(jié)果疊加到拖纜小車位置給定中。

　　(4)當(dāng)小車運(yùn)行遇到卡阻時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)減速，當(dāng)拖纜小車運(yùn)行滯后采煤機(jī)時(shí)，位置PID調(diào)節(jié)起主 要作用，變頻器增大電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，提高轉(zhuǎn)矩，從而繼續(xù)跟隨采煤機(jī)運(yùn)行。通過(guò)采煤機(jī)速度、采煤機(jī)位置、拖纜小車位置、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、牛頭拉力傳感器，共同作用調(diào)節(jié)拖纜小車的運(yùn)行速度，跟隨采煤機(jī)行走，使拖纜小車拖動(dòng)電纜夾始終保持1次彎曲，防止電纜夾卡阻、脫軌。無(wú)需遠(yuǎn)程視頻查看運(yùn)行情況，無(wú)需人工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)跟隨采煤機(jī)運(yùn)行。

　　設(shè)備通信主要分為四部分。PLC通過(guò)CAN總線與采煤機(jī)直接通信、通過(guò)以太網(wǎng)與采煤機(jī)主機(jī)通信，均可獲得采煤機(jī)當(dāng)前運(yùn)行的位置、速度、方向、拉力信息，兩者形成冗余通信機(jī)制。當(dāng)PLC與編碼器通信失敗時(shí)，PLC可根據(jù)讀取到的變頻器輸出電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行積分運(yùn)算，計(jì)算拖纜小車的位置。除PLC與變頻器通信中斷外，有且僅有一個(gè)通信中斷時(shí)，采煤機(jī)電纜拖拽裝置仍能保持跟機(jī)自適應(yīng)運(yùn)行。

　　4現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

　　神東榆家梁礦薄煤層工作面平均采高1.4m，工作面長(zhǎng)度350m，拖纜小車運(yùn)行軌道長(zhǎng)度175m，電纜拖拽裝置驅(qū)動(dòng)部和電控設(shè)備位于采煤機(jī)機(jī)尾。恒轉(zhuǎn)矩控制方式應(yīng)用中，拖纜小車遇到軌道卡阻或電纜夾卡阻時(shí)，變頻器容易堵轉(zhuǎn)停機(jī)，需人為解決卡阻問題后再開機(jī)運(yùn)行，在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法使用。速度控制方式應(yīng)用中，對(duì)拖纜小車位置與采煤機(jī)位置誤差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，控制變頻器輸出轉(zhuǎn)速，為防止采煤機(jī)電纜被拉斷，會(huì)對(duì)位置偏差留有一定的余量，從而導(dǎo)致僅保證了大部分電纜夾為2層疊加狀態(tài)，在拖纜小車和采煤機(jī)牛頭附近的電纜夾會(huì)出現(xiàn)3層或更多層的疊加。因此需要專人時(shí)刻觀察電纜夾的狀態(tài)并根據(jù)情況調(diào)整位置偏差余量。應(yīng)用本文的自適應(yīng)調(diào)節(jié)方式后，保證了電纜夾在拖纜小車和采煤機(jī)牛頭處的2層疊加狀態(tài)。

　　在整個(gè)工作面運(yùn)行期間，采煤機(jī)與拖纜小車的位置偏差，剛開始運(yùn)行時(shí)偏差1m，在運(yùn)行過(guò)程中最大偏差達(dá)到-2m，返回到初始位置時(shí)又恢復(fù)原來(lái)的偏差值，通過(guò)變頻器輸出電機(jī)轉(zhuǎn)矩與牛頭拉力傳感器數(shù)據(jù)的計(jì)算，經(jīng)過(guò)位置環(huán)PID調(diào)節(jié)，有效地補(bǔ)償了因工作面工況變化引起的拖纜小車與采煤機(jī)的位置偏差，驗(yàn)證了此電纜拖拽裝置能較好地自適應(yīng)跟隨采煤機(jī)運(yùn)行。

　　5結(jié)語(yǔ)

　　電纜拖拽裝置控制系統(tǒng)通過(guò)考慮多變量，消除了因工作面斜切進(jìn)刀、截三角煤、工作面起伏等問題引起的拖纜小車與采煤機(jī)位置存在偏差、速度不完全一致的情況，電纜拖拽裝置可以自適應(yīng)跟隨采煤機(jī)運(yùn)行，無(wú)需人工干預(yù)。通過(guò)在榆家梁煤礦的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，電纜拖拽裝置可以保持采煤機(jī)電纜始終為1次彎折、2層疊加，保證了電纜不刮卡、不掉道，延長(zhǎng)了采煤機(jī)電纜使用壽命，無(wú)需人員進(jìn)入工作面干預(yù)電纜夾運(yùn)行，提高了工作面自動(dòng)化程度。

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　　作者：崔耀