基于PLC技术的刮板输送机直线度控制方法_高汉昆.pdf

第42卷第02期2023年02月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.02Feb.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.02.0490前言综采工作面三大主要设备包括采煤机、刮板输送机和液压支架。采煤机骑跨在刮板输送机上，做往复运动截割煤层，刮板输送机既承担着落煤的输送工作，同时连接着液压支架的推移液压缸，还要完成将中部槽和液压支架向截割后煤壁推溜、移架的工作。综采设备与煤壁都保持平直姿态，是设备平稳运行的基础。实际工作中，在经过几轮截割作业后，刮板输送机的直线度就会出现不同程度的形变，轻则增大了设备部件之间的摩擦，造成能源浪费，严重的可能造成链条脱轨，导向滑靴和行走轮的疲劳断裂，导致停工停产。刮板输送机的直线度控制目前还需要通过人工干预完成，针对这种情况设计了基于模糊算法的PLC控制技术，通过对销耳误差和联动误差的补偿，达到控制刮板输送机直线度的目标。实验结果表明，此方案经济有效，在不停机的情况下，能够完成调直目标。1刮板输送机直线度影响因素采煤机完成截割单个截割循环后，液压支架底部的液压缸动作，推动刮板输送机向煤壁方向移动1个截距，并准备下一截割循环。刮板输送机推溜动作主要依赖液压缸来完成，其直线度受推动活塞的影响较大。捷联惯导装置系统是目前常用的输送机直线度调整控制方法之一，具备体积小、易维护、稳定性好等特点。但由于该种控制方式依赖销耳与活塞杆的连接来完成动力传递，所存在的销耳间隙会导致间隙误差和中部槽联动误差的出现，致使动力*国家级职业教育教师教学创新团队课题研究项目（YB2020010302）基于 PLC 技术的刮板输送机直线度控制方法*高汉昆，孔红（山西工程职业学院，太原030009）摘要：针对刮板输送机在井下综采工作中，其直线度虽可以通过捷联惯导系统等装置对其检测和调整，但由于其与液压支架的销耳连接方式以及其自身各中部槽联动结构，产生的误差无法得到补偿，直线度仍易出现偏差，导致能耗高，设备使用寿命缩短的问题。提出了基于以PLC技术为核心的直线度控制方案，采集位移和流量的数据，根据销耳结构及各中部槽联动误差值，运用模糊推理，对PID控制器参数进行控制调整，计算刮板输送机直线度的调整，计算并控制乳化液累计流量，推动中部槽位移，达到对刮板输送机直线度精准控制。并通过实验进一步验证了此方法准确性和稳定性。关键词：刮板输送机；PLC；模糊PID控制；直线度中图分类号：TH227文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）02 203 03Straightness Control Method of Scraper Conveyor Based on PLCTechnologyGAO Hankun，KONG Hong(Shanxi Engineering Vocational College,Taiyuan 030009,China)Abstract:Although the straightness of scraper conveyor can be detected and adjusted by strapdowninertial navigation system and other devices in underground fully mechanized mining,the error can notbe compensated due to its pin ear connection with hydraulic support and its own central slot linkagestructure,and the straightness is still prone to deviation,resulting in high energy consumption andreduced service life of equipment.A straightness control scheme based on PLC technology is proposed.The data of displacement and flow are collected.According to the pin ear structure and the linkageerror value of each middle groove,fuzzy reasoning is used to control and adjust the parameters of PIDcontroller,calculate the adjustment of straightness of scraper conveyor,calculate and control thecumulative flow of emulsion,promote the displacement of middle groove,and achieve the accuratecontrol of straightness of scraper conveyor.The accuracy and stability of this method are further verifiedby experiments.Key words:scraper conveyor；PLC；fuzzy PID control；straightness203第42卷第02期基于PLC技术的刮板输送机直线度控制方法高汉昆，等Vol.42 No.02传递出现误差，进而影响输送机的直线度。因此，通过采集计算销耳间隙和中部槽联动的误差，并对其误差进行补偿，可得到理想的刮板输送机直线度。刮板输送机销耳与液压缸连接方式如图1所示。图1刮板输送机销耳与液压缸连接示意图1.刮板输送机2.销耳3.液压缸4.液压支架根据液压传动学公式，活塞位移距离S1=4（q-q）dtd2（1）活塞末端位移S2=4（q-q）d2cos-S1sin（2）式中q液压缸乳化液供应流量，L/s；q液压缸腔体之间的乳化液泄漏流量，L/s；d液压缸无杆腔内径，mm；销耳与活塞杆之间的夹角，（）；的角速度，rad/s；t液压系统供液时间，s。销耳结构误差S=S3-S2（3）式中S3中部槽位移距离，由位移传感器实时获取，mm。对刮板输送机进行直线度调整过程中，液压缸活塞位移S1、活塞末端位移S2及中部槽位移S3均存在一定量的误差，因而对误差值进行计算，并依据计算量来弥补和消除误差，从而来避免刮板输送机直线度发生形变，确保综采作业的正常进行。2刮板输送机直线度控制方案PLC作为一种可编程逻辑控制器，可靠性高、体积小、功能全、编写程序简单、操作简单、能耗低，具有开关量逻辑控制、计数和定时控制、过程控制、数据处理和数据通信等功能。在采掘过程中，通过PLC控制液压支架电磁换向阀来实现液压缸活塞的伸出和回收，并带动刮板输送机的中部槽移动，实现刮板输送机位移和直线度调整。因此，构建刮板输送机调直方案如图2所示。刮板输送机直线度调直方案以PLC为核心，实时采集传感器的数据，计算销耳间隙和中部槽联动造成的误差及误差率，并建立模糊规则表，运用模糊推理对PLC中的PID控制器参数进行调整，计算乳化液供应时间，调整液压缸乳化液累计流量，改变各中部槽位置，达到控制刮板输送机直线度的目的。PID控制器调整流程如图3所示，其中，Q0为液压缸在调直过程中的累计实际流量，E，EC分别为刮板输送机直线度误差及误差率，Kp，Ki，Kd为PID控制器参数。Q为液压缸供液量。S为中部槽位移量。图2刮板输送机直线度调整系统图图3PID控制器过程控制图3PLC控制程序设计PLC控制器是实现刮板输送机直线度控制的关键设备，系统硬件方面，PLC采用西门子S7-1200控制器，流量传感器选用精度为1.0级的DN6型涡轮流量传感器，拉线传感器选用精度为0.01 mm的BTL-KTM-10型传感器。PC机采用Labview软件图形语言编写程序，并通过RS485接口与PLC控制器连接，实现数据的传输与实时监测。采用西门子TIA Portal v15自动化编程工具对PLC进行程序设计，程序分为6个模块：主程序模块、传感器数据模块、乳化液流量计算模块、PID参数模糊查询表模块、PID参数模块、通信传输模块。主程序包括16个程序段（见表1）。表1PLC主程序项目表1234程序段编号程序段1程序段2程序段3程序段4程序段5程序段6程序段7-11程序段12程序段13程序段14程序段15程序段16程序段名称实验开始、结束控制程序位移、流量数据转换程序乳化液流量误差及误差变化率计算程序创建模糊规则表程序PID控制器程序模糊自适应PID控制程序各液压缸PID参数整定程序液压缸推移控制程序脉冲产生程序流量传感器检测程序位移传感器检测程序通信程序程序功能及作用控制实验开始和结束将位移、流量信号转换通过计算，弥补销耳间隙和联动效应误差按照模糊推理规则建立模糊规则表采集流量误差及误差率根据误差及误差率查询模糊规则表PID参数变化量根据PID参数变化量整定PID参数计算乳化液供液时间并控制推移进程依据乳化液供液时间确定脉冲时间采集流量传感器信号并转换为物理量采集位移传感器信号并转换为物理量实现PLC控制器与PC数据传输交换S2S3S1拉线传感器流量传感器PCPLC控制器电磁换向阀模糊推理液压缸中部槽液压系统PID控制器位移流量转换模型1液压缸刮板输送机电磁换向阀电磁换向阀电磁换向阀电磁换向阀2液压缸3液压缸4液压缸5液压缸销耳间隙误差补偿EC联动效应误差补偿EQ0SQKpQKiKd刮板输送机直线度误差204第42卷第02期Vol.42 No.02基于PLC技术的刮板输送机直线度控制方法高汉昆，等4实验为验证控制方案，以刮板输送机其中5节中部槽为实验对象建立实验平台。监测不同初始位置调整到不同目标位置的位移情况，项目有直线-直线、直线-斜线、随机线-直线、随机线-斜线，并对每种情况分别进行5次实验，得出中部槽误差数据如表2所示。表2中部槽位置误差数据表实验数据显示，刮板输送机中部槽在不同情况，调整后的实际位置与目标位置误差最大值在18 mm以下，误差平均值均在9 mm以下。验证了基于PLC的刮板输送机直线度控制方案切实可行，程序稳定。5结语通过对刮板输送机直线度影响因素分析，提出基于PLC技术刮板输送机直线度控制方案，并采用模糊控制理论修正PID控制器模块相应参数，计算液压系统供液时间，通过调整液压泵供液量控制中部槽位移。经实验数据表明，误差最大值小于1.8 cm，在许可范围内，程序运行稳定，达到了实验目的，可有效降低能耗，保障综采设备持续安全生产。参考文献：1路文娟.PLC控制技术在煤矿电气中的应用评煤矿电气控制系统运行与维护J.有色金属工程,2020,10(12):145.2赵建军.变频跟踪调速带式输送机PLC模糊控制系统设计J.中国矿业,2020,29(3):100-104.3杨恩建,王义亮,杨兆建.采煤机直线截割工况下刮板输送机中部槽受力及应力分析J.机械设计与制造,2021(7):212-216.4吴新佳.矿用刮板输送机的模糊PID控制调直方法研究J.金属矿山,2020(8):142-146.5李云峰,李云聪.基于Rocky DEM的矿用刮板输送机的调直方法J.矿业研究与开发,2020,40(12):148-152.6李首滨,李森,张守祥,等.综采工作面智能感知与智能控制关键技术与应用J.煤炭科学技术,2021,49(4):28-39.7杨学军,王然风,王怀法.液压支架直线度检测机器人激光定位矩阵研究J.工矿自动化,2019,45(1):52-56.8方新秋,宁耀圣,李爽,等.基于光纤光栅的刮板输送机直线度感知关键技术研究J.煤炭科学技术,2019,47(1):152-158.9冯洪高.PLC技术在机电控制系统中的合理应用研究评机电控制与可编程控制器技术J.有色金属工程,2021,11(12):131.作者简