摘要：介紹了采煤機動力電纜拖拽裝置及其運行影響因素。根據采煤工藝、采煤機與電纜拖拽裝置在工作面的運行軌跡，提出了電纜拖拽裝置跟機自適應控制系統，研究了系統組成和控制策略。現場測試結果表明：電纜拖拽裝置能自適應跟隨采煤機運行，實現采煤機電纜1次彎折并保持張緊狀態，有效提高了采煤機電纜的壽命，減少了電纜的故障發生率，實現了采煤機電纜的無人監視，進一步提高了綜采工作面的智能化與無人化。

　　關鍵詞：采煤機;電纜拖拽;跟機自適應控制;無人化;智能化

　　引言隨著煤礦智能化開采的推進，綜采工作面正向少人化和無人化發展。采煤機運行時動力電纜隨著采煤機做往復運動，在截三角煤時，電纜容易發生多層疊加、刮卡掉道，嚴重影響電纜的使用壽命，還可能發生電纜短路、接地等事故，需要人工實時觀察并及時處理，增加了人力勞動及成本，對于薄煤層工作面狹小的空間，大大增加了安全隱患。因此為提高自動化程度，降低人員安全風險，實現工作面無人化開采，采煤機電纜拖拽裝置已經成為發展的必然。目前國內采煤機電纜拖拽裝置電控系統研究方向主要分為速度控制和恒轉矩控制。

　　煤礦論文范例： 煤礦掘進中的深孔爆破技術分析

　　速度控制方式根據動滑輪的原理，以拖纜小車運行速度為采煤機運行速度的1/2為基礎，控制拖纜小車位置而實時調節拖纜小車的速度，使拖纜小車位置始終在對應的電纜彎折點處;但隨著采煤工藝的不同與工作面條件的變化，采煤機行走距離與拖纜小車行走距離會有誤差存在，導致編碼器測量的位置出現偏差，且無法消除。

　　常用解決辦法是通過視頻觀察采煤機電纜夾的張緊情況進行手動干預調節拖纜小車的速度。恒轉矩控制方式通過變頻器輸出恒定轉矩，使拖纜小車始終拉緊電纜(上行)或只驅動拖纜小車(下行)，但當遇到卡阻等外力時，變頻器無法及時識別并響應轉矩輸出，導致變頻器發生堵轉，拖纜小車停止不動。針對上述問題，本文設計了一種跟機自適應采煤機電纜拖拽裝置，其電氣控制系統采用了基于位置環和速度環的PID控制，并結合采煤機牛頭拉力、電機轉矩參數調節電纜拖拽裝置拖動采煤機電纜保持1次彎曲運行，并在神東榆家梁煤礦薄煤層工作面進行了現場試驗。

　　1電纜拖拽裝置的組成電纜拖拽裝置由機械部分和電氣部分組成。

　　1.1采煤機電纜拖拽裝置機械部分的組成

　　采煤機電纜拖拽裝置機械部分主要由驅動部、軌道、拖纜小車、傳動部、回轉部組成。①驅動部主要由電機、聯軸器、減速機組成，為整個拖纜裝置提供動力;②軌道主要由軌道底 座、主動導軌、從動導軌以及導向裝置組成，為整個電纜拖拽裝置提供支撐和保護;③拖纜小車由導向輪、車體、滑靴、清煤裝置等組成，主要作用是拖動電纜夾跟隨采煤機運行;④傳動部主要由鏈輪、回轉輪、鏈條等傳動件組成，鏈條回路在拖纜小車處閉合，形成循環往復的運動狀態;⑤回轉部由回轉輪、彈簧缸、張緊油缸、固定座等組成，提供電纜拖拽裝置所需的張緊力。在采煤機運行過程中，拖纜小車在刮板輸送機電纜槽內往復運動，始終跟隨采煤機移動，拖纜小車速度為采煤機速度的1/2，電纜夾在導向輪處只產生1次彎折，保證電纜只有2層疊加。

　　(1)電控驅動系統主要由隔爆兼本質安全型PLC控制箱、防爆變頻器、防爆變頻電機、編碼器、拉力傳感器、限位開關、校準開關、急停開關等組成。控制箱內PLC控制器為電纜拖拽裝置的核心部件，其讀取采煤機當前的運行速度、方向、拉力，經過對采煤機牛頭拉力、電纜拖拽裝置電機轉矩、拖纜小車位置、拖纜小車速度運算后得出拖纜小車應運行的速度，控制變頻器調節輸出給定轉速，使拖纜小車跟隨采煤機運行。

　　PLC控制器選用西門子1200系列緊湊型PLC1215C，可以適應井下綜采工作面面臨的高溫高濕、粉塵大、電磁干擾等復雜環境。變頻器采用ABB品牌產品，其獨特的直接轉矩控制，可以快速響應負載轉矩的變化。拖纜小車編碼器使用多圈絕對值編碼器，可以精確地測量拖纜小車的位置與速度，并有效地記憶當前小車的位置，通過高速CAN通信傳輸給PLC控制器。校準開關、限位開關位于機尾，當采煤機和拖纜小車運行到機尾時，對拖纜小車位置進行校準，防止位置誤差累積。

　　(2)鏈條自動張緊系統主要包括張緊油缸、張緊壓力傳感器、支架控制器等。支架控制器可本地控制或接收PLC控制器以及上位機下發的張緊力調節命令。在拖纜小車運行前可預張緊鏈條，在拖纜小車運行中可自動調節回轉部張緊油缸的壓力，保證電纜拖拽裝置鏈條始終處于張緊狀態，消除拖纜小車換向時的余鏈。

　　(3)上位機監測系統主要包括電纜拖拽裝置主機、采煤機主機、電液控主機。上位機系統由天瑪公司自主研發的LongWallMind組態軟件設計，通過礦用網線接入工作面以太環網。LongWallMind專門為井下工作面設計了可視化操作界面，具有高效的通信能力，支持多種協議，能與不同廠家生產的設備互聯，對實時數據進行采集、處理、存儲、管理。①電纜拖拽裝置主機監測電纜拖拽裝置的運行狀態、數據存儲、報警顯示，工作面支架攝像頭和煤機攝像頭可以實時跟隨拖纜小車和采煤機，實現可視化;②采煤機主機與采煤機進行數據交互、顯示;③電液控主機監測工作面支架狀態和電纜拖拽裝置回轉部自動張緊狀態。

　　2影響采煤機電纜拖拽裝置運行的因素

　　采煤機電纜拖拽裝置的運行軌跡與采煤機的運行軌跡一樣，需要符合采煤機的采煤工藝要求。影響電纜拖拽裝置運行的因素主要有截煤過程中的頻繁換向、工作面的起伏、設備在工作面運行的刮卡阻力。

　　(1)在雙向截煤工藝中，采煤機運行過程中要經過截底煤、清浮煤、斜切進刀、截三角煤、正常截煤5個工藝階段，其中需要2次斜切進刀、截三角煤，4次截底煤、8次清浮煤。在整個過程中，采煤機運行方向改變14次，電纜拖拽裝置同樣需要跟隨采煤機換向14次，多次往返容易形成位置累積誤差。

　　(2)礦區采煤工作面的地質條件千差萬別，即使是同一個礦井不同的工作面，甚至同一個工作面的不同時間，工作面的環境條件也不相同，刮板輸送機中部槽節與節之間有30mm間隙，上下彎曲最大3°，左右彎曲最大1°，導致采煤機和拖纜小車在刮板輸送機上的運行軌跡為曲線，且非同一條曲線。這引起了兩者相對位置的改變，并非嚴格的動滑輪速度為1/2的對應關系。

　　(3)電纜拖拽裝置軌道搭建于刮板輸送機電纜槽內，同樣需要適應刮板輸送機中部槽節與節之間的間隙、上下左右彎曲，無論電纜夾在電纜槽內被拖動還是電纜拖拽裝置鏈條在軌道內運行，都難免會出現刮卡現象。當有煤落入電纜槽內軌道上時，對拖纜小車運行也增加了阻力。由于上述因素的存在，電纜拖拽裝置采用基于位置的速度控制或基于力矩的恒轉矩控制都不能完全適應采煤機的運行，會導致出現輸出力矩過大拉斷電纜或停滯堵轉的現象。本文通過編碼器計算拖纜小車位置、拉力傳感器檢測采煤機牛頭電纜拉力，以速度、位置、拉力、轉矩相結合的方式，自適應調節拖纜小車跟隨采煤機運行。

　　3采煤機電纜拖拽裝置控制系統設計

　　具體控制流程：

　　(1)控制箱內PLC控制器通過CAN通信讀取采煤機當前運行速度、位置與狀態信息，PLC通過與編碼器CAN通信計算出拖纜小車當前的運行速度、位置信息。首先以采煤機運行速度的1/2作為變頻器調節的主要依據，以變頻器內部速度環PID調節變頻器輸出電機轉速，以保證拖纜小車運行速度為采煤機運行速度的1/2，變頻器根據負載情況自動調節輸出轉矩，即電機轉矩。PLC運行3個負反饋PID閉環控制，輸入量分別是采煤機牛頭電纜拉力的誤差、電機轉矩的誤差、拖纜小車位置的誤差，將輸出結果疊加至拖纜小車的位置給定和拖纜小車的速度給定中。

　　(2)在上行階段(采煤機往機尾行走)，電纜夾摩擦阻力隨著采煤機位置不同而成線性變化，K為比例系數。若電機轉矩超出了采煤機位置對應的電纜夾拖拽阻力，經PID運算后，輸出位置偏差1。采煤機牛頭不拉動電纜夾，拉力傳感器測量值與較小的牛頭拉力給定值比較計算，輸出位置偏差2。其中電機轉矩調節方式占比較大，兩者疊加到拖纜小車運行位置給定中，修正因工作面地質條件引起的位置偏差。

　　(3)在下行階段(采煤機往機頭行走)，電機僅驅動拖纜小車空載運行，采煤機牛頭拉電纜夾，且拉力隨采煤機的位置成線性變化。同樣對牛頭拉力傳感器和電機轉矩進行PID運算，其中牛頭拉力傳感器作用占主導地位，兩者輸出結果疊加到拖纜小車位置給定中。

　　(4)當小車運行遇到卡阻時，會導致電機減速，當拖纜小車運行滯后采煤機時，位置PID調節起主 要作用，變頻器增大電機輸出轉速，提高轉矩，從而繼續跟隨采煤機運行。通過采煤機速度、采煤機位置、拖纜小車位置、電機轉矩、牛頭拉力傳感器，共同作用調節拖纜小車的運行速度，跟隨采煤機行走，使拖纜小車拖動電纜夾始終保持1次彎曲，防止電纜夾卡阻、脫軌。無需遠程視頻查看運行情況，無需人工干預，實現自適應跟隨采煤機運行。

　　設備通信主要分為四部分。PLC通過CAN總線與采煤機直接通信、通過以太網與采煤機主機通信，均可獲得采煤機當前運行的位置、速度、方向、拉力信息，兩者形成冗余通信機制。當PLC與編碼器通信失敗時，PLC可根據讀取到的變頻器輸出電機轉速進行積分運算，計算拖纜小車的位置。除PLC與變頻器通信中斷外，有且僅有一個通信中斷時，采煤機電纜拖拽裝置仍能保持跟機自適應運行。

　　4現場試驗

　　神東榆家梁礦薄煤層工作面平均采高1.4m，工作面長度350m，拖纜小車運行軌道長度175m，電纜拖拽裝置驅動部和電控設備位于采煤機機尾。恒轉矩控制方式應用中，拖纜小車遇到軌道卡阻或電纜夾卡阻時，變頻器容易堵轉停機，需人為解決卡阻問題后再開機運行，在實際現場無法使用。速度控制方式應用中，對拖纜小車位置與采煤機位置誤差進行PID調節，控制變頻器輸出轉速，為防止采煤機電纜被拉斷，會對位置偏差留有一定的余量，從而導致僅保證了大部分電纜夾為2層疊加狀態，在拖纜小車和采煤機牛頭附近的電纜夾會出現3層或更多層的疊加。因此需要專人時刻觀察電纜夾的狀態并根據情況調整位置偏差余量。應用本文的自適應調節方式后，保證了電纜夾在拖纜小車和采煤機牛頭處的2層疊加狀態。

　　在整個工作面運行期間，采煤機與拖纜小車的位置偏差，剛開始運行時偏差1m，在運行過程中最大偏差達到-2m，返回到初始位置時又恢復原來的偏差值，通過變頻器輸出電機轉矩與牛頭拉力傳感器數據的計算，經過位置環PID調節，有效地補償了因工作面工況變化引起的拖纜小車與采煤機的位置偏差，驗證了此電纜拖拽裝置能較好地自適應跟隨采煤機運行。

　　5結語

　　電纜拖拽裝置控制系統通過考慮多變量，消除了因工作面斜切進刀、截三角煤、工作面起伏等問題引起的拖纜小車與采煤機位置存在偏差、速度不完全一致的情況，電纜拖拽裝置可以自適應跟隨采煤機運行，無需人工干預。通過在榆家梁煤礦的現場運行，電纜拖拽裝置可以保持采煤機電纜始終為1次彎折、2層疊加，保證了電纜不刮卡、不掉道，延長了采煤機電纜使用壽命，無需人員進入工作面干預電纜夾運行，提高了工作面自動化程度。

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　　作者：崔耀