采煤机自动调高控制系统的研究.pdf

2 0 2 0年第0 6期 采煤机自动调高控制系统的研究 李旭东 同煤集团煤峪口矿机掘一队, 山西 大同 0 3 7 0 0 3 摘 要 通过分析采煤机调高系统的结构和工作原理, 明确自动调高控制系统的控制对象, 提出了自动调高系统的 控制策略, 详细论述了记忆截割曲线的拟合方式, 在对自动调高系统进行理论分析的基础上, 设计了自动 调高控制系统。 关键词 曲线拟合; 采煤机; 自动调高; 控制系统 中图分类号 T D 4 2 1 D O I 1 0. 1 9 7 6 9/j . z d h y . 2 0 2 0. 0 6. 0 0 4 0 引言 目前我国煤矿井下综采工作面正在向机械化、 智能 化方向发展, 但采煤机的自动割煤技术仍处于探索阶 段[ 1], 在煤层条件差的煤矿开采中应用较少, 具有一定局 限性。要想实现采煤机自动割煤, 减少截齿磨损, 降低操 作人员劳动强度, 其关键在于采煤机能够根据煤岩分界 线自动调节滚筒高度, 因此本文对采煤机的滚筒自动调 高控制系统进行研究。 1 采煤机自动调高系统的工作原理 采煤机在工作过程中, 为了提高割煤效率, 会通过调 整滚筒高度以适应煤层的变化, 达到更好的割煤效果[ 2]。 摇臂高度调整的这一动作通常是由液压系统完成的。液 压系统主要由摇臂升降油缸、 换向阀、 油泵及电机组成, 油泵将压力油打入摇臂升降油缸中, 通过控制换向阀, 实 现油缸杆的伸缩, 调整摇臂的位置, 从而改变滚筒的高 度。将该机构简化为数学模型, 如图1所示。 图1 调高机构简化模型 点O为摇臂升降油缸与采煤机本体的铰接点, 固定 不动, 点O1为摇臂摆动的铰接点, 也为固定不动,L4为 两点之间的距离。点O2是摇臂升降油缸在未伸出状态 下与摇臂的铰接点, 此时滚筒中心位置为点P, 点O3为 油缸在任意伸出状态下与摇臂的铰接点, 此时滚筒中心 位置为点P1。油缸未伸出时的长度为L1, 伸出到O3点 时的缸体加油缸杆的长度为L2, 摇臂与油缸铰接点到摇 臂摆动铰接点的距离为L3, 摇臂摆动铰接点到滚筒中心 点的距离为L, 通过几何分析可以得到 H0L s i nγβLs i n γ c o s βc o s γ s i n β 1 s i n γs i nθ-αs i n θ c o s α-c o s θ s i n α 2 c o s γc o sθ-αc o s θ c o s αs i n θ s i n α 3 c o s θL 2 4L 2 3-L 2 2 2L3L4 4 s i n θ1- L 2 4L 2 3-L 2 2 2L3L4 2 5 将式2 3 4 5 代入式1 中, 可以得到 H0L 1- L 2 4L 2 3-L 2 2 2L3L4 2 c o s α- 􀭡 􀭢 􀪂􀪂 L 2 4L 2 3-L 2 2 2L3L4 s i n α c o s β L 2 4L 2 3-L 2 2 2L3L4 c o s α 1- L 2 4L 2 3-L 2 2 2L3L4 2 s i n α s i n β 􀭥 􀭦 􀪂􀪂 6 当滚筒中心点在P1时, 滚筒中心到采煤机与油缸铰 接点的距离为 H2H1H0 7 将式6 代入式7 中可以看出, 只有缸体加油缸杆 伸出的长度L2为变量, 其余均为定值, 即通过控制油缸 伸缩长度即可控制滚筒的高度。采煤机自动调高系统控 制的关键点就是如何精确地控制油缸伸出长度达到调整 滚筒高度的目的。 2 自动调高策略分析 采煤机滚筒的高低调节是依据煤与岩的界面分割线 进行的, 从理论上来说滚筒会随着煤岩分界线的变化改 变高度, 使滚筒边缘的截齿沿着煤岩分界线进行割煤, 这 就需要准确地识别煤岩分界线。目前的几种识别方式主 8 自动化应用 自动化控制理论与应用 收稿日期 2 0 2 0 - 0 3 - 3 0 作者简介 李旭东 1 9 8 7 , 男,2 0 1 6年毕业于辽宁工程技术大学, 助理工程师, 研究方向为电气控制。 2 0 2 0年第0 6期 要有红外识别、 γ射线识别、 雷达探测识别 [1]。红外探测 技术是以截齿温度变化为依据进行煤岩分界线识别, 当 截齿温度高时认为此时截割的是岩石, 截齿温度低时截 割的是煤, 但影响截齿温度的因素很多, 除了截割对象的 硬度外, 还有截割时间的累积, 散热条件差, 截割线速度 高等等, 单纯依靠截齿温度变化判断煤岩分界线是比较 困难的。γ射线识别是根据煤层和岩石的γ射线强度差 别来判断煤岩分界线的, 但这种方法对于煤矸石较多的 工作面分辨率差, 具有一定局限性。雷达探测识别是利 用不同物质对电磁波的反射率不同来判断煤岩分界线 的, 但随着煤层厚度提升, 测量精度也随之下降。这些方 法还不够成熟, 无法做到准确识别煤岩界线, 还需要进一 步发展才能在实际生产中更好地应用。 由于不能靠传感器智能化识别煤岩分界线, 因此需 要人工进行干预, 为了降低劳动强度, 采用记忆截割的方 法进行滚筒高度控制。记忆截割法第一刀由人工进行, 第一刀即为示范刀, 采煤机司机根据煤岩分界的实际情 况, 使用遥控器或其他控制方式调节滚筒高度, 控制系统 通过设定好的采样点进行滚筒高度的数据采集, 并储存, 下一刀就根据示范刀的滚筒轨迹自动调节滚筒高度, 当 煤层条件发生变化时, 重复这一操作过程即可。记忆截 割法虽然不能通过传感器自动识别煤岩分界线, 但可以 通过记忆采样点滚筒高度间接识别煤岩分界线, 是一种 更适合在实际生产中应用的技术。 3 记忆截割的曲线拟合 记忆截割曲线是通过若干采样点记录下的数据进行 拟合形成的。控制器会根据采煤机当前工作位置进行判 断, 是否与采样点位置相同, 若相同则自动记录数据, 作 为记忆截割的参考轨迹[ 2]。 建立采煤机的平面坐标系, 如图2所示。点O为采 煤机的集合中心, 是坐标系的原点。前滚筒与后滚筒的 中心点为O1和O2。摇臂的长度为L, 摇臂与采煤机铰 接点距坐标系原点的距离为L1, 距地面距离为H0。前 摇臂和后摇臂与水平方向的夹角分别为θ1和θ2, 高于水 平面时为正, 低于水平面时为负。 图2 采煤机平面坐标系 分析图中的几何关系, 可以得到O1和O2的坐标分 别为 xO1L1Lc o s θ1 yO1H0Ls i n θ1 8 xO2-L1-Lc o s θ2 yO2H0Ls i n θ2 9 通过旋转编码器计算出点O与采煤机在工作面运行 起始点的距离L0, 即可得到点O1和O2在 工 作 面 的 位置 LO1L0xO1L0L1Lc o s θ1 LO2L0xO2L0-L1-Lc o s θ1 1 0 控制系统通过计算前后滚筒距离工作面起始点的距 离, 判断其位置是否与设定的采样点重合, 若到达采样 点, 则在示范刀时记录此时的滚筒高度等运行数据, 作为 图3 采煤机自动调高控制系统 9 自动化控制理论与应用 自动化应用 2 0 2 0年第0 6期 采煤机前后滚筒行走曲线中的一个数据点, 通过若干个数 据点的数据拟合, 得到采煤机前后滚筒的运行高度曲线。 在设置采样点时需要注意, 相邻两个采样点间的距 离需要进行限制, 如果两个采样点间的距离过大, 则拟合 出的曲线不够平滑, 更像是一条折线, 如果两个采样点间 的距离过小, 则数据采集过于密集, 存储与计算量大, 对 控制系统的硬件要求过高, 提高了控制系统的成本。根 据实验, 两个采样点间的距离控制在12 m是比较合适 的。另外在采样点中还可以设置关键点, 当采煤机采姿 进行大幅度变化时, 可以将该点设为关键点以便更加准 确地控制采煤机滚筒高度。 4 自动调高控制系统原理 通过对采煤机调高系统工作原理和其控制策略进行 研究, 在明确记忆截割法的基础上, 可以对其控制系统进 行设计, 系统控制框图如图3所示。 该系统主要由数据采集部分、 存储计算部分和输出 执行部分三部分构成。数据采集部分主要由油缸位移传 感器采集油缸杆伸出位移信息, 倾角传感器采集摇臂与 水平方向夹角、 旋转编码器采集采煤机水平位移距离。 存储计算部分中最重要的是控制器, 也是整个控制系统 的核心, 需要对采集的信号进行处理和储存、 进行逻辑计 算、 输出控制信号。输出执行部分是由伺服驱动器、 截割 电机等构成, 根据控制器发出的控制信号进行动作, 完成 对滚筒的高度调节。 控制系统在收到启动信号后, 控制接触器得电, 启动 截割电机, 并向变频器发出行走信号, 使牵引电机带动采 煤机行走。进入示范刀模式后, 控制器根据旋转编码器 的信号对采煤机位置进行计算, 与预先设定好的采样点 位置进行比对, 位置重合时记录当前采煤机倾角传感器 和油缸位移传感器的数值, 记录滚筒高度。示范刀结束 后, 拟合出滚筒的轨迹曲线, 第二刀就根据拟合出的曲线 进行动作, 开始记忆截割, 在每一刀的运行过程中, 控制 器根据传感器信号不断优化记忆截割曲线, 达到自动调 整采煤机滚筒高度的目的。 整个控制系统采用C AN总线进行数据通信, 可以提 高数据传输效率, 实现数据的实时通信。在进行设计时, 为了避免被采煤机其他电气元件干扰, 应该采取抗干扰 措施, 如采用屏蔽双绞线、 增加信号保护器、 优化布线远 离动力电缆等, 保证C AN总线的正常通信。 5 结语 为了提高采煤机的智能化程度, 自动调高系统的应 用是必需的。本文在对采煤机自动调高系统原理分析的 基础上, 对比了几种自动控制策略的优缺点, 论述了记忆 截割曲线的拟合过程和采样点的设置原则, 提出了一种 采用C AN总线传输的采用记忆截割法的自动调高控制 系统, 提高了采煤机自动调高系统的适应性。 参考文献 [ 1] 陈颖.采煤机 调高 实 验装 置及 测控 系 统的 设计 与 研制 [D].淮南 安徽理工大学, 2 0 1 9. [ 2] 张晓全.采煤机自动调高系统研究及其应用[J].陕西煤 炭, 2 0 1 8,3 73 1 3 4 - 1 3 6. 上接第7页 图3 组装测试线 本系统已进入正式生产阶段, 自动光学检测设备代替 人工检测, 大大提高了P C B A板的检出良品率及效率。锁 螺丝机构采用了双工位设计, 工位一安装P C B A板, 另一 工位锁紧上下盖, 互不影响同时提高了效率。自动组装完 产品后, 通过机械手将产品置于激光刻标机中, 在上盖刻 标出二维码, 再通过读码器将产品信息采集存储到生产管 理系统中。使用U R机械手代替人工搬运工件, 减轻了操 作人员的劳动强度, 提高了工作效率。所有关键工序包括 P C B A板光学检测、 锁螺丝的扭力、F C T测试、 高温老化测 试、E O L测试、 总体装配线的各安装工序及测试数据都记 录在生产管理系统中, 方便了产品的质量追踪和售后服 务。目前根据排产要求, 每日可生产B M S电池管理系统 3 0 0个以上, 其中良品率达9 8 以上。 4 结语 本文以B M S电池管理系统为研究对象, 基于智能化、 自动化提出了一种B M S电池管理系统的组装测试线。详 细介绍了组装线与测试线的具体实施步骤及关键结构设 计。通过企业数据验证了B M S电池管理系统的组装测试 线的效用。为企业解决了人员繁多且工作效率低下的大 问题, 并且提高B M S电池管理系统的质量, 为电动汽车、 储能电站等设备的安全性和稳定性奠定良好的基础。 参考文献 [ 1] 朱伟杰, 史尤杰, 雷博.锂离子电池储能系统BM S的功能 安全 分 析 与 设 计 [J].储 能 科 学 与 技 术,2 0 2 0, 91 2 7 1 - 2 7 8. [ 2] 王 春 芳, 钟 国 华.电 池 管 理 系 统 关 键 技 术 及 发 展 趋 势 [ J].轻型汽车技术,2 0 1 8Z 3 1 6 - 1 8. [ 3] 赵艳玲.动力锂电池BM S中内阻在线测试的设计[J].能 源与节能, 2 0 1 58 1 1 8 - 1 1 9,1 7 1. [ 4] 李顶根, 唐晓峰, 刘士杰.基于C AN通信的电动汽车BM S 测试平台设计[ J].电源技术,2 0 1 8,4 21 0 1 5 4 3 - 1 5 4 5. 01 自动化应用 自动化控制理论与应用