丁文凱

（西山煤電西曲礦，山西古交030200）

引言

針對采煤機自動調(diào)高控制系統(tǒng)的問題，各專家學(xué)者進行了深入探究，并提出了基于預(yù)測控制的采煤機滾筒自動調(diào)高系統(tǒng)、采煤機自動調(diào)高系統(tǒng)的模糊PID控制、基于虛擬儀器的采煤機自動調(diào)高系統(tǒng)研究以及遺傳算法在采煤機自動調(diào)高預(yù)見控制系統(tǒng)中的應(yīng)用等觀點，其方法過于復(fù)雜且存在一定的滯后性。本文提出了基于PLC的采煤機自動控制系統(tǒng)理論，方法簡單且可靠性高，在實際應(yīng)用中也取得了滿意的效果。

1 采煤機自動調(diào)高系統(tǒng)設(shè)計

采煤機在實際生產(chǎn)過程中主要靠滾筒切割煤壁對煤礦井下的煤炭進行開采，因此要達到高產(chǎn)高效采煤的目的，就必須實現(xiàn)采煤機滾筒地自動調(diào)高，避免人工操作的滯后性引起滾筒損壞以及資源浪費等問題[1]。對于采煤機滾筒自動調(diào)高控制系統(tǒng)原理的設(shè)計就是對采煤機的機械結(jié)構(gòu)與液壓調(diào)高系統(tǒng)的設(shè)計。機械結(jié)構(gòu)方面主要包括采煤機的齒輪的嚙合參數(shù)及強度校核、軸及軸承的選用與校核、花鍵的選擇及其強度的校核、潤滑及密封的良好性等內(nèi)容，而液壓部分則主要控制采煤機滾筒的自動調(diào)高系統(tǒng)。

該系統(tǒng)的實驗研究是在某高校的綜合實驗室完成的，主要利用液壓實驗臺對其進行聯(lián)合模擬實驗。該實驗系統(tǒng)可分別通過手動模式和自動模式對實驗系統(tǒng)進行模擬加載，從而得到相應(yīng)的液壓缸特性指標(biāo)。而本文主要選擇自動控制模式對其進行測試，從而完成本課題的實驗研究目的。該系統(tǒng)的工作原理：在液壓主回路控制中，由系統(tǒng)配電柜給變頻器及相應(yīng)模塊供電，變頻器帶動電機運轉(zhuǎn)，電機則拖動主泵轉(zhuǎn)動，對整個液壓系統(tǒng)進行供油。本文以電控方式舉例說明工作原理，首先通過控制比例先導(dǎo)減壓閥在調(diào)整電壓的作用下去控制液控?fù)Q向閥，使其產(chǎn)生換向動作，當(dāng)液控方向閥在左位時，液壓油會經(jīng)過液控?fù)Q向閥流入測試油缸的無桿腔內(nèi)，此時測試油缸在液壓油的作用下會左移；在加載回路中，首先給溢流閥設(shè)定一個壓力值，對比例溢流閥的輸入信號進行控制，控制加載油缸活塞兩端的壓力，從而實現(xiàn)對液壓缸的模擬加載，由于加載油缸右側(cè)處于高壓腔，所以控制液壓油就可以經(jīng)過對應(yīng)的單向閥組重新回到油箱；在補油回路中，控制液壓油直接經(jīng)過減壓閥，并通過對應(yīng)的單向閥組流入加載油缸的左側(cè)，即加載油缸的低壓腔部分，進而給系統(tǒng)補充油量。當(dāng)液控方向閥在右位時，其系統(tǒng)的加載回路與補油回路與上述工作原理類似，只是在方向上有所不同，此處不再重復(fù)闡述其工作過程。

在實驗平臺中裝設(shè)了位移、壓力等各種傳感器，實驗操作過程中，會收集到系統(tǒng)運行時各類參數(shù)，從而傳給上位機顯示出來，還可以對重要數(shù)據(jù)進行存儲，以便實驗完成后對其數(shù)據(jù)進行分析。其系統(tǒng)加載裝置的具體操作流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)加載裝置操作流程

利用實驗平臺對系統(tǒng)的總體流程進行設(shè)計，并實現(xiàn)在實驗室內(nèi)對采煤機調(diào)高系統(tǒng)進行自動控制，下面主要分析本系統(tǒng)的一些功能：第一，可以完成系統(tǒng)的模擬加載。在本實驗平臺上使用了比例溢流閥的加載方式，根據(jù)比例溢流閥的輸入信號來整定溢流壓力，控制加載油缸兩端的壓力，使其可以快速調(diào)節(jié)好加載力值。第二，本實驗平臺可以實現(xiàn)自動控制模式。通過對比例先導(dǎo)減壓閥進行控制和對兩個并聯(lián)減壓閥的合理操作，實現(xiàn)對液控方向閥的開啟與關(guān)閉控制，從而滿足系統(tǒng)所需的自動控制模式。第三，本實驗平臺有完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過采集位移、壓力等傳感器的實時數(shù)據(jù)監(jiān)測加載油缸和測試油缸的運動軌跡及壓力的波動情況，并將相關(guān)數(shù)據(jù)傳到上位機，對其進行存儲、處理和分析等操作。第四，本實驗平臺使用了變頻裝置[2]。當(dāng)需調(diào)節(jié)液壓缸的位置時，可以通過改變變頻器的輸出頻率值來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，進而控制系統(tǒng)的流量，達到調(diào)節(jié)位置的目的，順利完成模擬實驗。

2 PLC控制系統(tǒng)及監(jiān)控設(shè)計

2.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計主要是對采煤機電氣控制部分的選型設(shè)計和對PLC控制流程進行設(shè)計，從而實現(xiàn)采煤機的自動調(diào)高功能。其中對于電氣部分的選型主要包括對變頻器和各類傳感器的選型，我們選用了ABB公司ACS800系列的ACS800-01-0070-3+P901型變頻器，輸入額定電壓380 V，頻率調(diào)節(jié)在0～50 Hz范圍內(nèi)，而與之配套的三相電機的額定功率為55 kW，其控制效率可高達97%；位移傳感器選用磁致伸縮線性位移傳感器，其型號為KYDM-LP1A4210-GB1200M1HB-WO，量程為0～1 200 mm，測量精度高達±0.01%；壓力傳感器選用比較通用類型的且?guī)в袎毫Ρ肀P，其型號CYG1103型，壓力量程為0～40 MPa，測量精度為±0.25%，完全滿足實驗要求。

一套完整的采煤機自動調(diào)高控制系統(tǒng)的設(shè)計，需要可編程邏輯控制器（PLC）在其中扮演重要的角色。各類傳感器收集到實時信號后，是沒有辦法直接傳給上位機進行顯示和儲存的，傳感器的信號一般為模擬量，采集到的可能是電流信號（4～20 mA），也可能是電壓信號（0～5 VDC或者0～10 VDC），這時就需要PLC對其進行A/D轉(zhuǎn)換并轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的數(shù)值范圍以便上位機的顯示；除此之外，PLC在對變頻器的頻率進行控制以及對比例先導(dǎo)減壓閥進行控制等過程中都需要PLC的參與，因此可以說PLC在整個自動控制系統(tǒng)中起著大腦的作用[3]。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

采煤機的自動調(diào)高監(jiān)控系統(tǒng)主要分為設(shè)備層、控制層和信息層。設(shè)備層主要是最底層設(shè)備，包括各種閥門、傳感器和電機；PLC在控制層中充當(dāng)著主要角色；組態(tài)軟件則是信息管理層的主要設(shè)備[4]。其各層次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 管理層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

上位機的監(jiān)控在整套系統(tǒng)中起著及其重要的作用，它在PLC處理完數(shù)據(jù)后，及時顯示給操作人員，給人以直接觀察和及時操作的功能。本次選用世紀(jì)星組態(tài)軟件，只需前期對各工藝流程進行組態(tài)，當(dāng)調(diào)節(jié)好PLC與上位機的通訊功能后，在系統(tǒng)運行過程中只需打開組態(tài)界面即可實現(xiàn)對各參數(shù)的實時監(jiān)控，同時該組態(tài)軟件還具備Web發(fā)布功能，即將重要數(shù)據(jù)發(fā)布到網(wǎng)頁上，各階層領(lǐng)導(dǎo)在遠程端只需登錄相應(yīng)網(wǎng)址即可看到采煤機自動調(diào)高系統(tǒng)過程中的相應(yīng)數(shù)據(jù)，同時還具有參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)存儲和故障報警等功能[5]。

3 結(jié)語

針對采煤機的自動調(diào)高控制系統(tǒng)，從系統(tǒng)的加載裝置操作、電氣的選型和監(jiān)控系統(tǒng)等方面做了設(shè)計，并借助實驗平臺完成了實驗研究，取得了滿意的效果，相信對實際工程應(yīng)用有較高的借鑒價值。

[1]李曉豁，李燁健，劉述明，等.基于預(yù)測控制的采煤機滾筒自動調(diào)高系統(tǒng)[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2012，21（4）：36-40.

[2]趙麗娟，李苗.采煤機自動調(diào)高系統(tǒng)的模糊PID控制仿真[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，35（10）：1 075-1 080.

[3]雷儉，田慕琴.遺傳算法在采煤機自動調(diào)高預(yù)見控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2006（23）：186-188.

[4]曾慶良，許德山，等.基于虛擬儀器的采煤機自動調(diào)高系統(tǒng)研究[J].中國礦業(yè)，2016，25（5）：129-133；137.

[5]高永新，張新鑫.采煤機自動調(diào)高控制系統(tǒng)設(shè)計[J].測控技術(shù)，2016，35（5）：57-60.