高瓦斯煤矿综采工作面采煤机速度动态控制系统研究

布朋生

(中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

采煤机是建设智能煤矿，打造智慧矿山，推动矿井向安全高效智能化开采、清洁高效集约化转型的重要设备之一。采煤机驱动方式由液压驱动向电驱转变。电驱又分为直流电驱和交流电驱。采煤机常用的为交流电驱模式，克服了直流电驱体积大、结构复杂、可靠性差的缺点，并可增大交流电动机的功率，推动采煤机向大功率、高可靠性方向发展[1]。电驱采煤机的调速性能，成为保证采煤机安全、集约化生产的关键影响因素之一。变频调速是电驱采煤机常用并且有效的调速方案，可使用电压/频率转换(voltage to frequency,V/F)控制、矢量控制、直接转矩控制等多种变频控制技术[2-6]，并综合应用模糊控制技术优化被控制交流电动机的转矩/转速[7-10]。针对工作于高瓦斯综采工作面的采煤机，结合实际工况，在该采煤机变频调速控制系统的基础上，考虑顶板压力、瓦斯浓度两个参数，优化采煤机变频调速控制方案。

1 系统设计

高瓦斯煤矿综采工作面的采煤机速度控制系统结构如图1所示。

图1 采煤机速度控制系统结构图

系统由采煤机、液压支架控制器以及附属的压力传感器和瓦斯断电仪、信号采集器以及顺槽监控平台组成。压力传感器用于检测综采工作面顶板压力。瓦斯断电仪用于检测工作面的瓦斯浓度。信号采集器位于综采工作面端头，用于采集各液压支架控制器传送的压力以及瓦斯浓度数据。液压支架控制器采集到压力值、瓦斯浓度后，经信号采集器传送给顺槽监控平台。顺槽监控平台获取压力值、瓦斯浓度值后，采用软件滤波方法得出用于控制采煤机速度的平均值，并根据采煤机速度动态控制方案，对采煤机截割速度进行控制。

2 方案实现

2.1 数据采集

每台液压支架安装有支架控制器、压力传感器以及瓦斯断电仪。支架控制器用于对该台液压支架的动作控制、模拟量数据的采集以及与外部系统的数据传送。以BECKHOFF控制器为例，对模拟量压力传感器数据采集进行说明，并定义压力传感器输出为4～20 mA DC电流信号，测量范围为0～60 MPa。为获取模拟量数据，需增加模拟量数据采集模块，如EL3151(接收输入信号为4～20 mA电流信号)扩展模块为模拟量输入模块。EL3151与压力传感器进行电气连接后，即可采集压力传感器的电流输出信号。EL3151采集后并发送给BECKHOFF主控制器(对应数字量0～32 767)。根据该压力传感器的特性曲线，计算出实时压力值。

2.2 软件滤波

图2 模拟量软件滤波流程图

2.3 采煤机速度动态控制

根据液压支架控制器获取的顶板压力、瓦斯浓度数据，对采煤机截割电动机速度进行动态调节。调节的基本规则如下：①当采集的顶板压力值大于等于设定上限时，表明此时顶板压力过高，煤层中瓦斯含量较多，需降低采煤机截割电动机的截割速度；②当采集的顶板压力值小于等于设定下限时，表明此时顶板压力值较低，煤层中瓦斯含量较少，可提高采煤机截割电动机的截割速度；③当采集到的顶板压力值处于[DYmin,DYmax]时，可保持采煤机截割电动机的截割速度不变；④当采集到的瓦斯浓度值大于等于设定上限时，表明此时工作面瓦斯浓度超标，需降低采煤机截割电动机的截割速度或实现采煤机闭锁控制；⑤当采集到的瓦斯浓度值小于等于设定下限时，需提高采煤机截割电动机的截割速度；⑥当采集到的瓦斯浓度值处于[Gmin,Gmax]时，可保持采煤机截割电动机的截割速度不变。综合压力、瓦斯浓度传感器数据，截割电动机截割速度控制情况统计值如表1所示。

表1 截割电动机截割速度控制情况统计值

采煤机速度动态控制软件流程如图3所示。对采煤机截割电动机速度进行加速、减速、保持以及闭锁控制，并通过端头液压支架的信号采集器，将获取综采工作面实时顶板压力、工作面瓦斯浓度数据传送到顺槽监控平台。

图3 采煤机速度动态控制软件流程图

3 试验与应用

原采煤机调速方案基于直接转矩控制方案加速度模糊调节装置，共同完成对采煤机截割部电动机的变频调速功能。本文设计并实现的高瓦斯煤矿综采工作面采煤机速度动态控制系统嵌入至原采煤机变频调速系统中。优化后的截割电动机变频调速控制原理如图4所示。

图4 优化后的截割电动机变频调速控制原理图

在车间模拟顶板压力大小以及瓦斯浓度高低两个控制参数，观察采煤机截割电动机转速变化。经测试，用户能够按照表1所述动态调整截割电动机的转速。采用优化调速方案的采煤机在阳煤一矿综采工作面实际使用。经统计，采煤机截割部电动机在遇到顶板压力大于上限值时，其转速会减小。当转速小于下限值时，其转速会增加；当瓦斯浓度大于上限值时，控制系

统完成对采煤机的闭锁控制。实际使用的统计数据符合预期设计目标。

4 结论

以采煤机为研究对象，综合考虑其工作的高瓦斯特殊环境，对采煤机截割部电动机进行调速控制时，将顶板压力、瓦斯浓度作为重要调速参数，优化原采煤机的变频调速控制方案。按照表1所述，模拟现场使用环境，完成出厂试验。在实际使用过程中，采煤机能够遵循速度动态控制方案进行加速、减速、保持以及闭锁动作，从而较好地适应高瓦斯综采工作面，实现安全、高效率生产的目的。