【系统设计论文】采煤机电缆自动控制系统设计研究

【系统设计论文】采煤机电缆自动控制系统设计研究针对综采工作面电牵引采煤机供电电缆装置存在的可靠性差、自动化程度低的问题，设计并实现电缆自动拖拽控制系统。以PLC控制器、变频器为核心，控制电缆拖拽装置的运行速度与采煤机速度协同随动，并可根据采煤机运行方向协同配合。详细分析系统组成、硬件以及软件设计。在地面搭建模式试验场地，模拟井下坡度、障碍物试验。模拟实验结果表明，设计并实现的电缆自动拖拽控制系统能够保证采煤机供电电缆与采煤机协同随动，不发生弯折以及二次弯折故障，保证采煤机供电的持续性和可靠性。综采工作面电牵引采煤机运行时，供电电缆随采煤机进行运动。如果缺乏有效的电缆拖拽装置，长时间运行后，会导致采煤机供电电缆的碾压、磨损甚至断裂，导致频发维护以及更换供电电缆，间接影响采煤机的生产效率。研究并设计一种适用于采煤机的供电电缆自动拖拽装置，使得电缆能够跟随采煤机进行协同随动运动，保护供电电缆免受煤块碾压以及磨损。波兰柯派克斯公司的“黑龙”采煤系统，首次使用采煤机电缆拖拽装置，安装与顺槽巷道中，防止采煤机上下行或改变方向时供电电缆发生弯折或二次弯曲。国内根据急倾斜煤层采煤机开发出液压绞车型电缆拖拽系统，该系统输出恒定张力，保证在采煤机运行过程中，电缆夹与电缆始终保持张紧状态。但该装置存在的问题是采煤机上行时，该装置受到的滑道阻力较大，导致该装置的使用寿命较低，实用性不大。神东煤炭分公司开发了一种电缆收放装置，通过对应的液压控制阀进行控制，可实现电缆的令排列机构做往复式运动，解决了电缆的二次弯折问题，但是该装置需人工操作。山东能源集团开发的TL445/630G自动拖缆装置，采用动滑轮系统，实现了电缆夹与采煤机同步行走，并可实现自动换向。但该装置在实际使用中，动滑轮系统中的钢丝绳可能会被煤块砸中，可靠性不佳。根据综采工作面采煤机供电电缆实际运行情况，设计以PLC控制器为核心的电缆自动拖拽控制系统。1系统组成为保证电牵引采煤机可靠供电，需配置供电电缆自动拖拽装置与采煤机进行协同随动运动，该装置的控制系统组成如图1所示，三相异步变频电动机由交流1140V供电，在该电动机中的旋转编码器用于采集电动机的实时转速以及位置信息并发送至PLC控制器；PT100温度传感器用于采集电动机的轴温，以模拟量输入模式传送至PLC控制器。PLC控制器控制四象限变频器启动/停止，并根据采煤机运行速度控制变频器的给定转速或给定转矩。变频器以CAN/CanOpen总线模式将其运行数据以及故障信息传送给PLC控制器。在电缆自动拖拽装置中配备有HMI显示屏，用于显示该装置的运行情况，PLC控制器以Can通信模式将数据传送给HMI显示屏进行显示。为与采煤机运行实现协同随动运动，电缆自动拖拽装置的PLC控制器与采煤机控制器需进行数据交互，以Can通信模式实现。2硬件设计采煤机电缆自动拖拽控制系统中的主要硬件包括控制器组件、变频器、变频异步电动机、HMI显示屏以及外接的急停开关、启动/停止开关、传感器等。PLC控制器组件选用S7-1200CPU系列以及DI/DO/AI/AO扩展模块，该控制器处理速度块、实时性强、功耗低；拥有50KB的用户程序存储空间，自带14点输入/14点输出的板载数字I/O，可扩展3个CAN通信模块，满足电缆自动拖拽控制系统要求。考虑到综采工作面环境恶劣，选用的变频器必须具有较高级别的防护能力以及康干扰能力，因此选用ABB公司的A10007-1四象限变频器完成对异步变频电动机的控制，该变频器具备转速、转矩以及恒转速、恒功率运行模式，可实现变频电动机的无极调速，调速范围较大，且自带PID、模糊PID等多种内嵌控制算法。同时该变频器可实现电源侧/负载测的短路、过电流、锁相遗失、母线电压过低等多种保护和故障停机，保证电动机的安全、稳定运行。HMI显示屏选用MCGS组态软件系统，可快速生成监控系统，该显示屏的供电电压为DC24V，主板采用ARM低功耗CPU，主频频率为400MHZ，配备有RS232RS485以及CAN/CanOpen通信接口，防护等级为IP67，满足综采工作面恶劣环境要求。变频异步电动机为按照要求定制开发。3软件设计采煤机电缆自动拖拽控制系统的软件流程见图2所示。系统上电后，首先完成初始化以及系统自检工作，当系统自检有故障时，需进行故障恢复。当该控制系统检测到有采煤机信号后，判断采煤机当前状态时上行还是下行。如果采煤机运行方向为上行，则控制电缆自动拖拽装置进行恒转矩跟随上行运行，PLC控制器控制四象限变频器对其运行速度进行微调并满足与采煤机的跟随距离。如果采煤机运行方向为下行，则控制电缆自动拖拽装置进行恒转矩跟随下行运行。电缆自动拖拽装置运行过程中有故障发生时，PLC控制器会触发故障输出信号，并在HMI显示屏进行故障类别、发生时间的显示，并触发采煤机控制器和拖拽装置控制器发出停车信号。4模拟试验为验证设计的采煤机电缆自动拖拽控制系统的功能，在地面搭建试验环境进行模拟试验，对采煤机和刮板输送机进行设计改造，并模拟采煤机井下实际工作情况。将刮板运输机设计为可弯曲3，水平1.5，底部哟个枕木抬高，模拟弯曲。在电缆槽中插入枕木用以模拟井下障碍，即该自动拖拽装置遇到障碍物时，阻力增大，拖缆电动机输出电流增大，当输出电流大于设置值区间时，控制器发出过电流报警并发出停车信号，采煤机停止运行。在电缆槽中人工堆煤，运行阻力增加，采煤机牵引速度减小；将堆煤人工清理一部分，运行阻力逐渐减小，采煤机牵引速度逐渐增加。在采煤机牵引速度增加或减小过程中，检测电缆自动拖拽装置运行速度，与采煤机牵引速度保持协同随动。5结语电牵引采煤机供电电缆为采煤机提供动力源，若供电电缆发生碾轧、弯折等故障，将严重影响采煤机的生产效率。设计并实现电缆自动拖拽系统，在保护供电电缆的同时，能够保证采煤机供电的持续和稳定性，具有重要的生产实践意义。