采煤机调速控制系统的优化研究(1).pdf

引言 采煤机作为煤矿井下 “三机” 中的核心设备， 是决 定综采作业安全性和经济性的关键。 为了确保传动系 统的安全， 采煤机在截割作业过程中通常通过改变截 割转速或者调整进给速度来不断改变采煤机的截割 作业状态， 但该类型的调整方法主要依靠作业人员的 工作经验， 存在着较大的不确定性， 而且对综采作业 效率影响较大[1]。因此， 本文提出了一种新的采煤机 调速控制系统，其采用了模糊自适应的控制模式， 能 够根据作用在截割机构上的煤岩的截割阻力的大小 灵活调整采煤机的进给速度和截割转速。 1采煤机调速控制系统的整体结构 该采煤机的自动调速控制系统主要以 PLC 逻 辑控制为基础， 分为温度测量模块、 自动控制模块以 及工作电流的监测模块，在运行过程中各监测模块 自动对采煤机运行过程中的工作电流、 电机温度、 截 割转速、 运行速度等进行实时监控， 当某一个监测数 据超过正常工作范围后系统将对该参数进行标定并 报警， 根据逻辑控制程序判断异常发生的初步原因， 根据判断结果自动实施逻辑控制调整，发出调整电 流信号， 对相应工作参数进行调整， 确保采煤机的稳 定运行， 比如当出现截割功率超标时， 系统根据综合 截割状况， 发出调整信息， 对截割转速和牵引速度进 行综合调整， 实现在恒功率前提下的综采效率提升， 该采煤机调速控制系统结构如图 1 所示[2]。 2数字量恒功率控制系统 为了确保恒功率控制的精确性，本文在传统的 模拟电子元件恒功率控制系统的基础上，提出了一 种新的数字量恒功率控制系统，该系统主要包括微 处理器设备、 变频控制系统等， 可以根据所监测到的 截割电机控制系统的电流信号，对采煤机的运行状 态进行不间断的闭环控制调节，从而实现对采煤机 恒功率的精确控制， 如图 2 所示[3]。 当该系统运行时，系统会采集采煤机正常进给 作业时的速度，当截割作业过程中煤层的硬度发生 变化后，会直接导致采煤机驱动电机的输出电流发 生改变，将输出的实际电流和系统设定的额定电流 进行对比，经过 PLC 控制中心的计算后输出模拟量 电压信号， 再经过 D/A 转换器的转换， 控制变频控制 器的输出电流频率和电压值，从而实现对采煤机截 割转速和进给速度的调整。 在具体控制上， 如果煤层硬度增加， 则作用在截 割滚筒上的截割阻抗增大， 截割电流同步增加， 此时 控制系统控制变频器降低输出电压，减小牵引电机 的运行速度， 减少单位时间内的煤层截割厚度， 从而 降低了截割滚筒的截割负载，确保驱动电机的恒功 率运行。 如果煤层硬度降低， 则可以通过控制增加输 出电压， 加快采煤机的进给速度， 提高单位时间内的 采煤机调速控制系统的优化研究 林新元 （阳泉煤业集团翼城东沟煤业有限公司， 山西临汾041000） 摘要 为了解决采煤机在综采作业过程中截割阻力频繁变化而导致的驱动电机超负荷运行、 人工频繁调节所 带来的电机使用寿命低、 截割作业效率差的问题， 提出了一种新的采煤机调速控制系统。该系统采用了模糊自适 应控制模式， 能够优化采煤机调速控制特性， 提高采煤机截割作业时的效率和稳定性。 关键词 采煤机调速控制截割效率 中图分类号 TD421.6文献标识码 A文章编号 1003-773X （2020） 06-0199-02 收稿日期 2020-01-31 作者简介 林新元 （1984） ， 男， 毕业于中国矿业大学机械工程 及其自动化专业， 机电工程师。 DOI10.16525/14-1134/th.2020.06.087 总第 206 期 2020 年第6 期 机械管理开发 MECHANICALMANAGEMENTANDDEVELOPMENT Total 206 No.6， 2020 图 1采煤机调速控制系统结构示意图 图 2数字量恒功率控制原理 PLC 通信接口模块变频器牵引电机 控制模块电流测量模块温度测量模块 CAN 左 截 割 电 机 右 截 割 电 机 左 牵 引 电 机 右 牵 引 电 机 左 截 割 电 机 右 截 割 电 机 左 牵 引 电 机 右 牵 引 电 机 控 制 开 关 信 号 遥 控 信 号 变频器 电流互感器 牵引电机 截割电机 D/A A/D 控 制 器 给定速度 自动化技术与设计 第 35 卷 机械管理开发 jxglkfbjb 煤层截割厚度， 确保电机的恒功率运行。 由于井下地 质环境复杂，因此为了确保控制系统的控制稳定性 和精度， 将驱动电机的功率调节范围设定为 15， 从而确保系统在安全运行前提下的调整频次，保证 各类电器元件的使用寿命。 3模糊自适应控制原理 传统的模糊控制方案虽然调控效果较为平稳， 但是调控速度慢， 无法满足新的调速控制系统精确、 快速的调整控制需求，本文在传统模糊控制的基础 上， 提出了一种新的模糊自适应调整控制逻辑， 该控 制方案具有调控速度快、 精确性高的优点， 其调整控 制逻辑如图 3 所示[4]。 采煤机调速系统对作用在截割滚筒上的截割阻 力变化时的电流情况进行监控， 然后在模糊自适应控 制模块中对偏差量和调节量进行对比分析， 输出调节 控制信号给变频器， 控制变频器对牵引电机的工作电 压进行调整， 进而实现对调速系统的稳定控制。 4采煤机调速控制系统的应用效果 为了对该采煤机调速控制系统的实际调控效果 进行分析， 利用 simulink 仿真分析软件[5]建立该调 速控制系统的仿真分析模型，假设当系统稳定运行 1 s 后对系统输入一个模拟突变电流， 验证不同控制 系统作用下采煤机截割控制系统的调速情况，不同 调速控制模式下的控制效果如图 4 所示。 由图 4 可知，当对系统施加一个模拟激励信号 后，采煤的进给速度 Vq从 14 m/min 上升到 18 m/min， 当采用传统的模糊控制方案时， 其调整时间 长达 3 s，而采用新的模糊自适应控制的情况下， 其 调整时间仅 1.7 s， 比优化前降低了 43.3， 能够快速 地响应截割阻抗的变化，虽然在调整是速度有轻微 的波动， 但其超调量仅 0.5 m/s， 完全满足可控需求， 综合分析后可知新的模糊自适应控制具有响应速度 快的优点， 更适合该调速控制系统的需求。 5结论 1） 采煤机的自动调速控制系统主要以 PLC 逻辑 控制为基础， 主要分为温度测量模块、 自动控制模块 以及工作电流的监测模块，能够根据综合截割状况 发出调整信息，对截割转速和牵引速度进行综合调 整， 实现在恒功率前提下的综采效率提升。 2） 模糊自适应调整控制逻辑， 该控制方案具有 调控速度快、 精确性高的优点， 调整时间比优化前降 低了 43.3， 能够快速响应截割阻抗的变化。 参考文献 [1]刘长海， 徐宏兴， 王大宇.大功率电牵引采煤机的发展概况及趋 势[J].煤矿机械， 2010， 31 （8） 7-10. [2]王金华.特厚煤层大采高综放工作面成套装备关键技术[J].煤 炭科学技术， 2013， 41 （9） 1-5. [3]王宝军， 李春华， 肖洋.电牵引采煤机模糊控制系统调速特性的 仿真[J].煤炭学报， 2007， 32 （7） 778-780. [4]刘侠， 谢子殿.基于模糊控制的电磁调速采煤机控制系统的设 计[J].工业控制计算机， 2009， 22 （5） 55-57. [5]李晓豁， 李烨健， 王超.基于专家系统的采煤机截割电动机恒功 率控制[J].计算机系统应用， 2012， 21 （1） 140-143. （编辑 赵婧） 图 3模糊自适应控制原理 图 4不同控制方案下的调速控制效果 牵引电动机牵引机构变频器 电流 采集 截割 电动机 滚筒 截煤阻力 模糊 自适 应控 制模 块 14 16 18 20 120 43215 时间 /s 模糊控制 模糊自适应控制 Study on Optimization of Speed Control System of Shearer Lin Xinyuan （Yangquan Coal Industry Group Yicheng Donggou Coal Industry Co., Ltd., Linfen Shanxi 041000） Abstract In order to solve the defects of overload operation, low service life and poor efficiency of cutting operation caused by frequent change of cutting resistance of shearer in fully mechanized mining operation, a new speed regulation control system of shearer is proposed, which adopts fuzzy adaptive control mode, which can optimize the control characteristics of shearer speed regulation and improve the efficiency and stability of shearer cutting operation. Key words shearer; speed control; cutting efficiency 200