采煤机电缆拖拽装置跟机自适应控制系统的研究与应用

　　摘要：介绍了采煤机动力电缆拖拽装置及其运行影响因素。根据采煤工艺、采煤机与电缆拖拽装置在工作面的运行轨迹，提出了电缆拖拽装置跟机自适应控制系统，研究了系统组成和控制策略。现场测试结果表明：电缆拖拽装置能自适应跟随采煤机运行，实现采煤机电缆1次弯折并保持张紧状态，有效提高了采煤机电缆的寿命，减少了电缆的故障发生率，实现了采煤机电缆的无人监视，进一步提高了综采工作面的智能化与无人化。

　　关键词：采煤机;电缆拖拽;跟机自适应控制;无人化;智能化

　　引言随着煤矿智能化开采的推进，综采工作面正向少人化和无人化发展。采煤机运行时动力电缆随着采煤机做往复运动，在截三角煤时，电缆容易发生多层叠加、刮卡掉道，严重影响电缆的使用寿命，还可能发生电缆短路、接地等事故，需要人工实时观察并及时处理，增加了人力劳动及成本，对于薄煤层工作面狭小的空间，大大增加了安全隐患。因此为提高自动化程度，降低人员安全风险，实现工作面无人化开采，采煤机电缆拖拽装置已经成为发展的必然。目前国内采煤机电缆拖拽装置电控系统研究方向主要分为速度控制和恒转矩控制。

　　煤矿论文范例： 煤矿掘进中的深孔爆破技术分析

　　速度控制方式根据动滑轮的原理，以拖缆小车运行速度为采煤机运行速度的1/2为基础，控制拖缆小车位置而实时调节拖缆小车的速度，使拖缆小车位置始终在对应的电缆弯折点处;但随着采煤工艺的不同与工作面条件的变化，采煤机行走距离与拖缆小车行走距离会有误差存在，导致编码器测量的位置出现偏差，且无法消除。

　　常用解决办法是通过视频观察采煤机电缆夹的张紧情况进行手动干预调节拖缆小车的速度。恒转矩控制方式通过变频器输出恒定转矩，使拖缆小车始终拉紧电缆(上行)或只驱动拖缆小车(下行)，但当遇到卡阻等外力时，变频器无法及时识别并响应转矩输出，导致变频器发生堵转，拖缆小车停止不动。针对上述问题，本文设计了一种跟机自适应采煤机电缆拖拽装置，其电气控制系统采用了基于位置环和速度环的PID控制，并结合采煤机牛头拉力、电机转矩参数调节电缆拖拽装置拖动采煤机电缆保持1次弯曲运行，并在神东榆家梁煤矿薄煤层工作面进行了现场试验。

　　1电缆拖拽装置的组成电缆拖拽装置由机械部分和电气部分组成。

　　1.1采煤机电缆拖拽装置机械部分的组成

　　采煤机电缆拖拽装置机械部分主要由驱动部、轨道、拖缆小车、传动部、回转部组成。①驱动部主要由电机、联轴器、减速机组成，为整个拖缆装置提供动力;②轨道主要由轨道底 座、主动导轨、从动导轨以及导向装置组成，为整个电缆拖拽装置提供支撑和保护;③拖缆小车由导向轮、车体、滑靴、清煤装置等组成，主要作用是拖动电缆夹跟随采煤机运行;④传动部主要由链轮、回转轮、链条等传动件组成，链条回路在拖缆小车处闭合，形成循环往复的运动状态;⑤回转部由回转轮、弹簧缸、张紧油缸、固定座等组成，提供电缆拖拽装置所需的张紧力。在采煤机运行过程中，拖缆小车在刮板输送机电缆槽内往复运动，始终跟随采煤机移动，拖缆小车速度为采煤机速度的1/2，电缆夹在导向轮处只产生1次弯折，保证电缆只有2层叠加。

　　(1)电控驱动系统主要由隔爆兼本质安全型PLC控制箱、防爆变频器、防爆变频电机、编码器、拉力传感器、限位开关、校准开关、急停开关等组成。控制箱内PLC控制器为电缆拖拽装置的核心部件，其读取采煤机当前的运行速度、方向、拉力，经过对采煤机牛头拉力、电缆拖拽装置电机转矩、拖缆小车位置、拖缆小车速度运算后得出拖缆小车应运行的速度，控制变频器调节输出给定转速，使拖缆小车跟随采煤机运行。

　　PLC控制器选用西门子1200系列紧凑型PLC1215C，可以适应井下综采工作面面临的高温高湿、粉尘大、电磁干扰等复杂环境。变频器采用ABB品牌产品，其独特的直接转矩控制，可以快速响应负载转矩的变化。拖缆小车编码器使用多圈绝对值编码器，可以精确地测量拖缆小车的位置与速度，并有效地记忆当前小车的位置，通过高速CAN通信传输给PLC控制器。校准开关、限位开关位于机尾，当采煤机和拖缆小车运行到机尾时，对拖缆小车位置进行校准，防止位置误差累积。

　　(2)链条自动张紧系统主要包括张紧油缸、张紧压力传感器、支架控制器等。支架控制器可本地控制或接收PLC控制器以及上位机下发的张紧力调节命令。在拖缆小车运行前可预张紧链条，在拖缆小车运行中可自动调节回转部张紧油缸的压力，保证电缆拖拽装置链条始终处于张紧状态，消除拖缆小车换向时的余链。

　　(3)上位机监测系统主要包括电缆拖拽装置主机、采煤机主机、电液控主机。上位机系统由天玛公司自主研发的LongWallMind组态软件设计，通过矿用网线接入工作面以太环网。LongWallMind专门为井下工作面设计了可视化操作界面，具有高效的通信能力，支持多种协议，能与不同厂家生产的设备互联，对实时数据进行采集、处理、存储、管理。①电缆拖拽装置主机监测电缆拖拽装置的运行状态、数据存储、报警显示，工作面支架摄像头和煤机摄像头可以实时跟随拖缆小车和采煤机，实现可视化;②采煤机主机与采煤机进行数据交互、显示;③电液控主机监测工作面支架状态和电缆拖拽装置回转部自动张紧状态。

　　2影响采煤机电缆拖拽装置运行的因素

　　采煤机电缆拖拽装置的运行轨迹与采煤机的运行轨迹一样，需要符合采煤机的采煤工艺要求。影响电缆拖拽装置运行的因素主要有截煤过程中的频繁换向、工作面的起伏、设备在工作面运行的刮卡阻力。

　　(1)在双向截煤工艺中，采煤机运行过程中要经过截底煤、清浮煤、斜切进刀、截三角煤、正常截煤5个工艺阶段，其中需要2次斜切进刀、截三角煤，4次截底煤、8次清浮煤。在整个过程中，采煤机运行方向改变14次，电缆拖拽装置同样需要跟随采煤机换向14次，多次往返容易形成位置累积误差。

　　(2)矿区采煤工作面的地质条件千差万别，即使是同一个矿井不同的工作面，甚至同一个工作面的不同时间，工作面的环境条件也不相同，刮板输送机中部槽节与节之间有30mm间隙，上下弯曲最大3°，左右弯曲最大1°，导致采煤机和拖缆小车在刮板输送机上的运行轨迹为曲线，且非同一条曲线。这引起了两者相对位置的改变，并非严格的动滑轮速度为1/2的对应关系。

　　(3)电缆拖拽装置轨道搭建于刮板输送机电缆槽内，同样需要适应刮板输送机中部槽节与节之间的间隙、上下左右弯曲，无论电缆夹在电缆槽内被拖动还是电缆拖拽装置链条在轨道内运行，都难免会出现刮卡现象。当有煤落入电缆槽内轨道上时，对拖缆小车运行也增加了阻力。由于上述因素的存在，电缆拖拽装置采用基于位置的速度控制或基于力矩的恒转矩控制都不能完全适应采煤机的运行，会导致出现输出力矩过大拉断电缆或停滞堵转的现象。本文通过编码器计算拖缆小车位置、拉力传感器检测采煤机牛头电缆拉力，以速度、位置、拉力、转矩相结合的方式，自适应调节拖缆小车跟随采煤机运行。

　　3采煤机电缆拖拽装置控制系统设计

　　具体控制流程：

　　(1)控制箱内PLC控制器通过CAN通信读取采煤机当前运行速度、位置与状态信息，PLC通过与编码器CAN通信计算出拖缆小车当前的运行速度、位置信息。首先以采煤机运行速度的1/2作为变频器调节的主要依据，以变频器内部速度环PID调节变频器输出电机转速，以保证拖缆小车运行速度为采煤机运行速度的1/2，变频器根据负载情况自动调节输出转矩，即电机转矩。PLC运行3个负反馈PID闭环控制，输入量分别是采煤机牛头电缆拉力的误差、电机转矩的误差、拖缆小车位置的误差，将输出结果叠加至拖缆小车的位置给定和拖缆小车的速度给定中。

　　(2)在上行阶段(采煤机往机尾行走)，电缆夹摩擦阻力随着采煤机位置不同而成线性变化，K为比例系数。若电机转矩超出了采煤机位置对应的电缆夹拖拽阻力，经PID运算后，输出位置偏差1。采煤机牛头不拉动电缆夹，拉力传感器测量值与较小的牛头拉力给定值比较计算，输出位置偏差2。其中电机转矩调节方式占比较大，两者叠加到拖缆小车运行位置给定中，修正因工作面地质条件引起的位置偏差。

　　(3)在下行阶段(采煤机往机头行走)，电机仅驱动拖缆小车空载运行，采煤机牛头拉电缆夹，且拉力随采煤机的位置成线性变化。同样对牛头拉力传感器和电机转矩进行PID运算，其中牛头拉力传感器作用占主导地位，两者输出结果叠加到拖缆小车位置给定中。

　　(4)当小车运行遇到卡阻时，会导致电机减速，当拖缆小车运行滞后采煤机时，位置PID调节起主 要作用，变频器增大电机输出转速，提高转矩，从而继续跟随采煤机运行。通过采煤机速度、采煤机位置、拖缆小车位置、电机转矩、牛头拉力传感器，共同作用调节拖缆小车的运行速度，跟随采煤机行走，使拖缆小车拖动电缆夹始终保持1次弯曲，防止电缆夹卡阻、脱轨。无需远程视频查看运行情况，无需人工干预，实现自适应跟随采煤机运行。

　　设备通信主要分为四部分。PLC通过CAN总线与采煤机直接通信、通过以太网与采煤机主机通信，均可获得采煤机当前运行的位置、速度、方向、拉力信息，两者形成冗余通信机制。当PLC与编码器通信失败时，PLC可根据读取到的变频器输出电机转速进行积分运算，计算拖缆小车的位置。除PLC与变频器通信中断外，有且仅有一个通信中断时，采煤机电缆拖拽装置仍能保持跟机自适应运行。

　　4现场试验

　　神东榆家梁矿薄煤层工作面平均采高1.4m，工作面长度350m，拖缆小车运行轨道长度175m，电缆拖拽装置驱动部和电控设备位于采煤机机尾。恒转矩控制方式应用中，拖缆小车遇到轨道卡阻或电缆夹卡阻时，变频器容易堵转停机，需人为解决卡阻问题后再开机运行，在实际现场无法使用。速度控制方式应用中，对拖缆小车位置与采煤机位置误差进行PID调节，控制变频器输出转速，为防止采煤机电缆被拉断，会对位置偏差留有一定的余量，从而导致仅保证了大部分电缆夹为2层叠加状态，在拖缆小车和采煤机牛头附近的电缆夹会出现3层或更多层的叠加。因此需要专人时刻观察电缆夹的状态并根据情况调整位置偏差余量。应用本文的自适应调节方式后，保证了电缆夹在拖缆小车和采煤机牛头处的2层叠加状态。

　　在整个工作面运行期间，采煤机与拖缆小车的位置偏差，刚开始运行时偏差1m，在运行过程中最大偏差达到-2m，返回到初始位置时又恢复原来的偏差值，通过变频器输出电机转矩与牛头拉力传感器数据的计算，经过位置环PID调节，有效地补偿了因工作面工况变化引起的拖缆小车与采煤机的位置偏差，验证了此电缆拖拽装置能较好地自适应跟随采煤机运行。

　　5结语

　　电缆拖拽装置控制系统通过考虑多变量，消除了因工作面斜切进刀、截三角煤、工作面起伏等问题引起的拖缆小车与采煤机位置存在偏差、速度不完全一致的情况，电缆拖拽装置可以自适应跟随采煤机运行，无需人工干预。通过在榆家梁煤矿的现场运行，电缆拖拽装置可以保持采煤机电缆始终为1次弯折、2层叠加，保证了电缆不刮卡、不掉道，延长了采煤机电缆使用寿命，无需人员进入工作面干预电缆夹运行，提高了工作面自动化程度。

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　　作者：崔耀