综采“三机”联动工艺及控制系统设计

武文财

（山西焦煤集团有限责任公司屯兰矿， 山西 太原 030206）

引言

综采工作面无人化、全智能化、高度自动化生产是煤矿未来的发展方向，也是主要技术趋势。实现工作面采煤机、刮板输送机以及液压支架“三机”的联动控制是实现上述目标的基础；此外，还需要运行状态监测和远程控制功能的集成。实现综采工作面的自动化、无人化生产可减少现场作业人员的劳动强度，提高生产的安全性[1]。目前，综采工作面已经具备了局部的自动化跟机控制功能，并未全部在实际生产中推广应用。为综采工作面的全自动化和智能化生产奠定基础，本文重点对“三机”联动工艺及其控制系统进行设计。

1 “三机”联动工艺方案设计

1.1 工程概况

综采“三机”指采煤机、刮板输送机和液压支架；除此之外，工作面还包括有转载机、破碎机、带式输送机等关键设备，具体组成如图1 所示。

图1 工作面设备组成

本文具体对综采“三机”联动控制进行研究，对应的采煤机型号为MG900/2210-WD，液压支架型号为ZY12000/28/63D，刮板输送机型号为SGZ1250/3000。

1.2 “三机”联动工艺方案设计

所谓“三机”联动指的是，采煤机的自动牵引截割；液压支架根据采煤机的位置和牵引速度完成移架、伸缩护板帮；完成刮板输送机的移机操作，并基于刮板输送机完成推溜操作。为保证“三机”联动功能的实现，对各个设备均提出相应的要求：

1）采煤机联动要求：采煤机的牵引速度与刮板输送机的负荷进行自适应关联控制，此项操作的主要目的是避免刮板输送机超载、欠载运行；结合采煤机的实时牵引速度和位置对不同位置液压支架的动作控制以及刮板输送机的推溜情况进行控制[2]。

2）液压支架联动要求：液压支架根据采煤机的位置完成伸收护帮板、升架、降架等操作；同时，根据对液压支架油压和移架行程的监测，完成对液压阀的控制。一般的，应保证液压支架的追机速度大于采煤机的牵引速度。

3）刮板输送机联动要求：对刮板输送机电机电流进行监测：当刮板输送机电机电流大于额定电流的85%时，采煤机应降低牵引速度，对应的截割煤量减小；当刮板输送机电机电流小于额定电流的65%时，采煤机应提高牵引速度，提高截割煤量；从而保证刮板输送机在允许范围内高效率运煤。

为保证综采工作面“三机”联动功能的顺利实现，避免在联动控制中出现事故，需根据采煤机的外形尺寸、液压支架的中心距离设定“三机”联动的安全距离[3]。一般的，液压支架伸收护板帮且完成移架操作时需要与采煤机保持15 m 的安全距离，具体联动工艺如下页图2 所示。

如图2 所示，采煤机中心位置位于28 号液压支架。在安全距离的基本要求下，根据采煤机的外形尺寸和液压支架的中心距离等参数，不同位置液压支架的联动情况如下：1～10 号液压支架进行推溜操作（距离后滚筒13 个液压支架中心距离的位置）；15 号液压支架伸护帮板（距离后滚筒8 个液压支架中心距离的位置）；17～21 号液压支架进行移架操作（距离后滚筒2个液压支架中心距离的位置）；36 号液压支架收护帮板（距离前滚筒三个液压支架中心距离的位置）。

图2 “三机”联动工艺流程

2 “三机”联动控制系统的设计

“三机”联动控制的核心为根据采煤机的牵引速度和位置对液压支架的伸收护帮板、移架以及刮板输送机的推溜进行控制[4]。此外，为联动控制系统配置远程监控和总线传输功能，对应的“三机”联动控制系统结构如图3 所示。

图3 “三机”联动控制系统结构示意图

如图3 所示，“三机”联动控制系统包括有地面管理层、巷道监控层和设备层。其中，地面管理层是实现对综采工作面“三机”联动控制的中心。巷道监控层核心设备为“三机”联动控制器，其是对设备层所采集的各项参数进行综合汇总并分析；设备层包括有液压支架控制器、采煤机控制系统和刮板输送机控制系统。

根据如图3 所示的联动控制系统实现对综采工作面设备的顺序启停控制、完成采煤机自动牵引割煤控制、完成液压支架的跟机自动化控制、完成刮板输送机的负荷自适应控制、实现巷道监控层与设备层和地面管理层的控制等[5]。

本联动控制系统的硬件选型主要包括有PLC 控制器及各类传感器，PLC 选择S7-300 系列PLC 控制器，传感器选型结果如表1 所示。

表1 传感器选型结果

3 联动控制功能验证

为验证“三机”联动控制功能，分别对采煤机在不同工况下液压支架的动作情况进行仿真分析，得出如下结论：

1）当采煤机未截割三角煤且中心位置处于14 号液压支架的位置，对应22 号液压支架实施收护帮板操作，1 号液压支架实施伸护帮板操作，7 号液压支架开始移架操作。

2）当采煤机进入直线开采阶段且中心位置位于40 号液压支架的位置，对应1～10 号液压支架实施推溜操作；同时，当1 号液压支架完成推溜操作任务后，采煤机实施下一阶段的截割三角煤的任务。

3）当采煤机实施截割三角煤且中心位置处于17号液压支架的位置时，对应9 号液压支架实施收护帮板操作，30 号液压支架实施伸护帮板操作；当采煤机完成三角煤的截割任务后，改变采煤机牵引方向。

4）当采煤机改变牵引方向截割三角煤且中心位置处于34 号液压支架时，42 号液压支架实施收护帮板操作；27 号液压支架实施移架操作；21 号液压支架实施伸护帮板操作；6～16 号液压支架实施推溜操作。

4 结语

实现综采工作面“三机”的联动控制是实现煤矿自动化、智能化、无人化生产的基础。目前，综采工作面的“三机”联动仅实现部分自动化功能。为此，本文基于PLC 控制器和各类传感器根据采煤机的实时位置和牵引方向对液压支架的移架、伸收护帮板和刮板输送机的推溜操作进行联动控制。通过实践表明，所设计的“三机”联动控制系统可根据不同工况完成采煤机的自动牵引截割煤层控制、刮板输送机的负荷自适应控制以及液压支架的伸收护板帮和移架控制，可在实践应用中推广。