CN114167714A - 一种基于双闭环控制的采煤机电缆自动拖曳控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤矿开采技术领域，具体地说是一种基于双闭环控制的采煤机电缆自动拖曳控制方法。现有方法是控制拖缆轮跟随采煤机以同向半速运行，虽然可以控制拖缆系统运行，但在控制精度和实时性上有很大不足，存在拉断采煤机电缆的风险。本发明实时采集拖缆轮位置、速度、电流、转矩等运行信息，结合采煤机的位置和速度，形成基于位置、转矩的双闭环控制方法控制拖缆轮运行。本发明的优点是：设计的控制方法科学合理、对拖缆轮的控制实时、准确，保证采煤机自动拖缆系统安全、稳定，为薄煤层自动化开采提供有力的支撑。

Description

一种基于双闭环控制的采煤机电缆自动拖曳控制方法

技术领域

本发明涉及煤矿井下开采过程中采煤机电缆控制的技术领域，具体地说是一种基于双闭环控制的采煤机电缆自动拖曳控制方法。

背景技术

煤矿井下综采工作面煤层开采时，采煤机运行在刮板输送机上往复行走，拖动采煤机电缆在刮板输送机的电缆槽里运行，在垂直方向上会出现多次折弯的现象，导致电缆夹挂卡、挤伤、出槽甚至拉脱、扯断，特别是在薄煤层的应用中，垂直方向的多次折弯会直接影响采煤机的运行，导致生产效率降低。为了解决采煤机电缆的多次叠加问题，现有的方法是实时采集采煤机位置、方向、速度等信息，控制拖缆轮以采煤机同向、半速运行，以满足采煤机运行过程的需求。此方法可以满足采煤机电缆不出现多次折弯的需求，但存在控制精度不高，需在运行过程中对电缆预留较为宽松的余量，同时存在拉断电缆夹和电缆的可能，属于开环的控制方式。为了能够解决采煤机电缆多次叠加的问题，同时又要保证在拖缆的过程中保持适当的张紧度，不出现电缆过紧而拉坏电缆或电缆过松出现打折的现象，发明了一种基于双闭环控制的采煤机电缆自动拖曳控制方法。

发明内容

本发明的目的是发明一种基于双闭环控制的采煤机电缆自动拖曳控制方法，该基于双闭环控制采煤机电缆自动拖曳的方法，控制精度高，控制效果好。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于双闭环控制的采煤机电缆自动拖曳控制方法，控制系统由拖缆控制器1、变频器2、拖缆电机3、轴编码器4、同步传感器5、拖缆小车6、拖缆轨道7、刮板输送机8、采煤机9、集控中心10、拖缆链条11组成。拖缆控制器1根据采煤机9和拖缆小车6的运行数据，控制拖缆变频器2驱动拖缆电机3运行，拖缆电机3通过拖缆链条11牵引拖缆小车6沿刮板输送机8电缆槽上的拖缆轨道7行走，同时拖缆控制器1采集轴编码器4和同步传感器5数据对拖缆小车位置进行计算，拖缆控制器是1实时将拖缆运行数据上传至集控中心10进行集中显示。

一种基于双闭环控制的采煤机电缆自动拖曳控制方法，控制系统通过基于转矩环和位置环的双闭环控制实现对拖缆轮的运行控制。

所述的转矩环为内环，位置环为外环。转矩环以变频器的输出转矩为反馈信号；位置环以通过轴编码器计算的拖缆轮的实际位置为反馈信号。

转矩环理论研究：当拖缆小车6不挂缆运行时，变频器的输出转矩为克服系统内各部分摩擦，在不存在特殊刮卡时，该输出转矩近似为恒定值，这里将该转矩视为系统的空载输出转矩T₀。

拖缆时，采煤机电缆拖拽的动力由拖缆轮提供，所以变频器的输出转矩与拖缆轮位置S_t有关，当拖缆轮在中部时，变频器的输出转矩为最大；当拖缆轮在机尾时，变频器的输出转矩为最小。所以拖缆运行过程中拖缆变频器的输出转矩T为空载转矩T₀与拖缆转矩T_t的和。

放缆时，采煤机电缆拖拽的动力由采煤机提供，为了保证采煤机电缆不因拖拽小车而受力，拖缆小车6运行的动力仍由拖缆电机提供，所以放缆过程变频器输出转矩T为空载转矩T₀。

位置环是以采煤机行走距离始终保持拖缆轮运行长度2倍为理论基础。通常拖缆小车运行的轨迹是在刮板输送机靠近机尾侧的电缆槽轨道上运行，小车的位置由安装在拖缆电机3上的轴编码器4确定，采煤机的位置由采煤机行走编码器来采集，运行时通过PID控制，使拖缆小车运行距离为采煤机运行距离的1/2。

在实际运行过程中，由于工作面起伏的变化、拖缆链条受力不同而影响链条长度变化以及张紧油缸长度变化等原因，拖缆小车运行距离为采煤机运行距离1/2时，可能不满足实际运行的需要，不能达到正常拖拽采煤机电缆的需要，会导致电缆过紧或过松，影响采煤机正常运行，甚至损伤电缆，所以在位置环控制的基础上增加转矩环控制，实现采煤机电缆的自动拖曳，保证系统可靠运行。

本发明设计合理，实现便捷，通过采煤机、拖缆小车的位置和拖缆过程的转矩控制，实现自动拖缆的安全可靠运行，为薄煤层开采提供保障。

附图说明：

构成本发明的附图用于提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明的系统图。

图2是控制系统方块图。

图3是拖缆控制系统的流程图。

图中：1、自动拖缆控制器，2、拖缆变频器，3、拖缆电机，4、拖缆轴编码器，5、同步传感器，6、拖缆小车，7、拖缆运行轨道，8、刮板输送机，9、采煤机，10、集控中心。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方案对本发明作进一步详细说明：

如图1可知，一种基于双闭环控制的采煤机电缆自动拖曳控制方法，所涉及的设备包括拖缆控制器1，拖缆变频器2，拖缆电机3，拖缆轴编码器4，同步传感器5，拖缆小车6，拖缆运行轨道7，刮板输送机8，采煤机9，集控中心10。拖缆控制器1通过采集轴编码器4和同步传感器5数据计算拖缆小车6在拖缆运行轨道上的位置，根据拖缆小车6的实际位置和采煤机9的位置控制变频器及拖缆电机动作，实现位置环控制拖缆小车运行；同时采集变频器运行时转矩数据，结合拖缆小车其他的运行数据完成转矩环控制。具体控制方法如下：

1、拖缆小车实际位置的检测和计算

拖缆小车的实际位置是拖缆小车运行的数据基础。拖缆小车的实际位置是通过采集拖缆轴编码器数据计算而得，并由安装在固定位置的同步传感器进行位置校正，拖缆位置的计算为：

P 拖缆小车当前位置

P₀ 拖缆小车初始位置

N 拖缆轴编码器检测电机运行的圈数

i 拖缆减速器的减速比

Z 拖缆链轮的齿数

p 拖缆链条节距

此公式为根据编码器采集数据实时计算的拖缆小车位置，但在实际运行过程中，由于客观原因，拖缆小车的实际运行距离与通过编码器计算距离有所派偏差，为解决此问题，在拖缆轨道固定位置安装同步传感器，对拖缆小车的实际位置进行校正，即当小车通过同步传感器所在位置时，将拖缆小车位置重置为同步传感器所在位置的设定值，传感器的数量和布置位置与工作面长度和采煤工艺相关，一般在拖缆轨道的头尾部各布置一个，在刮板输送机头尾斜切进刀换向处各布置一个，中部按相隔50-70米布置。

2、拖缆小车的位置环控制

拖缆小车的位置环是通过PID控制，使拖缆小车运行的位置为采煤机运行位置的1/2。运行过程中拖缆控制器通过RS485或CAN等串行通讯总线实时获得采煤机的位置、方向、速度等运行数据，根据采煤机的运行数据控制拖缆小车，拖缆小车应保持与煤机同向、1/2煤机速度运行。

为建立拖缆小车位置与采煤机位置的线性关系，同时把采煤机和拖缆小车的位置建立在固定的坐标系下，即采煤机和拖缆小车运行到刮板输送机上的同一位置时的实际位置为相同数值。

拖缆控制器实时采集煤机数据，根据煤机提供的位置信息，计算出拖缆小车的期望位置，并控制拖缆小车的加速或减速运行速度，通过PID调节控制拖缆小车的实际位置。

3、拖缆小车的转矩环控制

采煤机的位置通过采煤机的行走编码器计算而得，采煤机的运行靠行走轮与销轨啮合，属于刚性连接，故采煤机的位置不存在累计误差；拖缆小车的行走为链条牵引，由于工作面起伏的变化、拖缆链条受力不同而影响链条长度变化以及张紧油缸伸缩量变化等原因，会导致拖缆小车的实际运行距离与通过轴编码器计算的距离有误差，且拖缆小车的位置误差与运行距离相关为累计误差。运行过程中在过同步传感器之前，拖缆小车的实际位置会有较大的累计误差，会直接影响采煤机电缆的松紧度，很可能会拉坏电缆，根据控制需要增加拖缆转矩环控制。

拖缆控制器从拖缆变频器获取拖缆电机的输出转矩，根据实际运行情况控制电机的输出转速：

①测试空载转矩T₀

空载情况即拖缆小车没有挂电缆，电机只拖动拖缆小车的情况。空载运行只在对整个系统的测试时运行。

空载转矩T₀为拖缆小车空载时运行全程电机的输出转矩的平均值。

②测试拖缆最大转矩T_t-max

拖缆最大转矩为采煤机在刮板输送机机头时拖缆小车向机尾运行时，电机的输出转矩与空载转矩的差，即采煤机与拖缆小车最远时电机的输出转矩-空载转矩T₀，此时拖缆小车拖动电缆的长度最长，电机的输出转矩为最大。

拖缆最大转矩的测量为采煤机以机头为起始端向机尾运行时，拖缆小车运行第一个1米的平均拖缆转矩，即：

T_t-max 拖缆最大转矩

T 拖缆电机输出实时转矩

T₀ 空载转矩

t 拖缆小车向机尾运行第一个1米所用的时间

③运行过程转矩计算T

运行过程分为拖缆和放缆两个阶段，即拖缆小车从机头向机尾运行和从机尾向机头运行。

放缆过程，采煤机电缆运行的动力由采煤机提供，拖缆小车保证为小车行走提供动力即可，所以此时拖缆电机输出的转矩应近似为空载转矩，即：T_t=T₀。

拖缆过程，采煤机电缆运行动力由拖缆小车提供，拖缆电机输出转矩为拖缆小车空载转矩与拖动电缆转矩之和，即：

T_t 拖缆电机输出转矩

T₀ 空载转矩

S 当前拖缆小车距运行机头测最远点长度

S_t 拖缆小车总运行长度

T_t-max 拖缆最大转矩

以上为拖缆小车运行在不同状态、不同位置时拖缆电机应当输出的理论转矩值，在实际运行时从拖缆变频器采集的转矩值与理论转矩值比较，通过PID控制拖缆电机的输出转速。

放缆状态下，当拖缆电机输出转矩小于空载转矩T₀时，说明采煤机通过煤机电缆拖动拖缆小车行走，电缆同时受采煤机和拖缆小车拉拽，极度危险，此时拖缆控制器提高拖缆小车速度，以释放采煤机电缆上的拉力。

拖缆状态下，当拖缆电机实时输出转矩大于拖缆电机输出转矩T_t时，说明拖缆小车行走过快，煤机电缆同时受采煤机和拖缆小车拉拽，极度危险，此时拖缆控制器减小拖缆小车速度，以释放采煤机电缆上的拉力。

Claims (2)

1.一种基于双闭环控制的采煤机电缆自动拖曳控制方法，其特征在于：采煤机电缆自动拖曳控制系统由拖缆控制器（1）、变频器（2）、拖缆电机（3）、轴编码器（4）、同步传感器（5）、拖缆小车（6）、拖缆轨道（7）、刮板输送机（8）、采煤机（9）、集控中心（10）和拖缆链条（11）组成，拖缆控制器（1）根据采煤机（9）和拖缆小车（6）的运行数据，控制拖缆变频器（2）驱动拖缆电机（3）运行，拖缆电机（3）通过拖缆链条（11）牵引拖缆小车（6）沿刮板输送机（8）电缆槽上的拖缆轨道（7）行走，同时拖缆控制器（1）采集轴编码器（4）和同步传感器（5）数据对拖缆小车位置进行计算，拖缆控制器是（1）实时将拖缆运行数据上传至集控中心（10）进行集中显示。

2.根据权利要求1所述一种基于双闭环控制的采煤机电缆自动拖曳控制方法，其特征在于：控制系统通过基于转矩环和位置环的双闭环控制实现对拖缆轮的运行控制；所述的转矩环为内环，位置环为外环；转矩环以变频器的输出转矩为反馈信号；位置环以通过轴编码器计算的拖缆轮的实际位置为反馈信号；

一、位置环是以采煤机行走距离始终保持拖缆轮运行长度2倍为理论基础;通常拖缆小车（6）运行的轨迹是在刮板输送机靠近机尾侧的电缆槽轨道上运行，小车的位置由安装在拖缆电机（3）上的轴编码器（4）确定，采煤机的位置由采煤机行走编码器来采集，运行时通过PID控制，使拖缆小车运行距离为采煤机运行距离的1/2；拖缆小车的实际位置是拖缆小车运行的数据基础，通过采集拖缆轴编码器数据计算而得，并由安装在固定位置的同步传感器进行位置校正，拖缆位置的计算为：

式中P为拖缆小车当前位置，P₀为拖缆小车初始位置，N为拖缆轴编码器检测电机运行的圈数，i为拖缆减速器的减速比，Z为拖缆链轮的齿数，p为拖缆链条节距；

在拖缆轨道（7）固定位置安装同步传感器（5），对拖缆小车的实际位置进行校正，即当小车通过同步传感器所在位置时，将拖缆小车位置重置为同步传感器所在位置的设定值，传感器的数量和布置位置与工作面长度和采煤工艺相关，一般在拖缆轨道的头尾部各布置一个，在刮板输送机头尾斜切进刀换向处各布置一个，中部按相隔50-70米布置；

为建立拖缆小车位置与采煤机位置的线性关系，同时把采煤机和拖缆小车的位置建立在固定的坐标系下，即采煤机和拖缆小车运行到刮板输送机上的同一位置时的实际位置为相同数值；拖缆控制器实时采集煤机数据，根据煤机提供的位置信息，计算出拖缆小车的期望位置，并控制拖缆小车的加速或减速运行速度，通过PID调节控制拖缆小车的实际位置；

二、当拖缆小车（6）不挂缆运行时，变频器的输出转矩为克服系统内各部分摩擦，在不存在特殊刮卡时，该输出转矩近似为恒定值，这里将该转矩视为系统的空载输出转矩T0；

拖缆时，采煤机电缆拖拽的动力由拖缆轮提供，所以变频器的输出转矩与拖缆轮位置S_t有关，当拖缆轮在中部时，变频器的输出转矩为最大；当拖缆轮在机尾时，变频器的输出转矩为最小，所以拖缆运行过程中拖缆变频器的输出转矩T为空载转矩T₀与拖缆转矩T_t的和：

式中T_t为拖缆电机输出转矩，T₀为空载转矩，S为当前拖缆小车距运行机头测最远点长度，S_t为拖缆小车总运行长度，T_t-max为拖缆最大转矩；

以上为拖缆小车运行在不同状态、不同位置时拖缆电机应当输出的理论转矩值，在实际运行时从拖缆变频器采集的转矩值与理论转矩值比较，通过PID控制拖缆电机的输出转速；

放缆时，采煤机电缆拖拽的动力由采煤机提供，为了保证采煤机电缆不因拖拽小车而受力，拖缆小车（6）运行的动力仍由拖缆电机提供，所以放缆过程变频器输出转矩T为空载转矩T₀。

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