煤礦工作面自動化控制系統(tǒng)探討

摘要：我國綜采工作面自動化的研究己經(jīng)有十多年的歷史，但總的來說，綜采工作面自動化的設(shè)備零散組合多，整體成套系統(tǒng)少，因此系統(tǒng)可靠性有待提高。本文介紹工作面綜采自動化控制系統(tǒng)的配套應(yīng)用，以實現(xiàn)工作面少人化、無人化開采為目標(biāo)。系統(tǒng)依托貫穿工作面、順槽的工業(yè)以太網(wǎng)通信系統(tǒng)及無線網(wǎng)絡(luò)通信平臺，實現(xiàn)以綜采設(shè)備自動化控制為核心，人員就地巡視干預(yù)為輔助，順槽、地面遠(yuǎn)程集中監(jiān)控為支撐的自動化控制模式。

關(guān)鍵詞：綜采工作面；自動化；成套設(shè)備；遠(yuǎn)程監(jiān)控

1概述

我國煤礦有綜采工作面3000多個，其中配備高端自動化裝備的工作面有450個，僅占綜采工作面總數(shù)的15%。而發(fā)達(dá)國家已達(dá)到100%，基本開始了綜采工作面從5人采煤向2人采煤再向無人化采煤的過渡[1，2]。例如：平均日產(chǎn)1.07萬噸，采高2.05米的OakyCreek煤礦；平均日產(chǎn)近2萬噸，采高3-3.2米的嘉能可(Glencore)公司布爾加井工礦（BulgaUnderground）；日產(chǎn)最高4.5萬噸，采高4.5-4.8米，最高月產(chǎn)100萬噸的Anglo公司莫蘭巴北礦等。這些煤礦已發(fā)展到工作面班長1人，操作工3人，巡視工1人的5人開采模式[3]。國內(nèi)也有二十多個礦區(qū)進(jìn)行過綜采工作面自動化的探索與嘗試[3，4]，典型的有神東榆家梁、黃陵礦等。這些探索很大程序上促進(jìn)了我國綜采設(shè)備的發(fā)展。如液壓支架可以實現(xiàn)跟隨采煤機(jī)的位置和方向自動完成降-移-升、推溜、噴霧等動作，采煤機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)記憶割煤，運輸設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)變頻啟停和煤流監(jiān)控調(diào)速等技術(shù)。但總的來說，綜采工作面自動化的整體配套設(shè)備還有欠缺，系統(tǒng)可靠性還有待提高。本文以紅柳煤礦I040301綜采工作面為例，介紹工作面綜采自動化控制系統(tǒng)的配套及可靠容錯機(jī)制。綜采自動化以工作面少人化、無人化開采為目標(biāo)，依托貫穿工作面、順槽的工業(yè)以太網(wǎng)通信系統(tǒng)及無線網(wǎng)絡(luò)通信平臺，實現(xiàn)以綜采設(shè)備自動化控制為核心，人員就地巡視干預(yù)為輔助，順槽、地面遠(yuǎn)程集中監(jiān)控為支撐的自動化控制模式[5]。

2煤礦工作面綜合自動化系統(tǒng)配套

2.1系統(tǒng)配套組成

紅柳煤礦I040301自動化工作面采用北京天地瑪珂公司綜采自動化成套系統(tǒng)SAM，以液壓支架電液控系統(tǒng)SAC為基礎(chǔ)，采煤機(jī)絕對定位系統(tǒng)LASC為核心，智能集成供液系統(tǒng)SAP、工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)SAV、采煤機(jī)控制系統(tǒng)SAS、順槽三機(jī)集成控制系統(tǒng)SAT、順槽膠帶輸送機(jī)集成控制系統(tǒng)SAB、集成供電系統(tǒng)、工作面工業(yè)以太網(wǎng)通訊、順槽監(jiān)控中心、工作面語音通信、工作面控制模塊等12子系統(tǒng)為輔助，實現(xiàn)可視化遠(yuǎn)程干預(yù)型智能化采煤技術(shù)。具有在地面調(diào)度中心對綜采工作面設(shè)備（采煤機(jī)、液壓支架、運輸機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、皮帶機(jī)系統(tǒng)）的監(jiān)測功能、“一鍵”啟停控制和遠(yuǎn)程干預(yù)操控功能；具有在順槽控制中心對綜采工作面設(shè)備的監(jiān)測及集中控制功能；具有對工作面綜采設(shè)備的數(shù)據(jù)集成、處理、故障診斷、管理等功能；具有工作面工業(yè)以太網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸；具有工作面視頻系統(tǒng)，實現(xiàn)對主要綜采設(shè)備的實時監(jiān)控；實現(xiàn)雙向全截深與雙向半截深采煤工藝的自動化跟機(jī)模式；具有工作面自動找直功能；具有單機(jī)故障其他設(shè)備不受影響的容錯機(jī)制。

2.2系統(tǒng)配套原理及結(jié)構(gòu)

2.2.1工作面自動化a.SAC結(jié)構(gòu)組成及原理每臺支架安裝一臺16功能電磁主閥和控制器，控制器之間通過4C線連接（CAN總線通訊協(xié)議）可實現(xiàn)鄰架、成組、順序操作。右立柱安裝壓力傳感器（測量值0-60MPa），推移千斤安裝形成傳感器（測量值0-960mm），在左立柱安裝紅外接收器（采煤機(jī)定位）實現(xiàn)跟隨采煤機(jī)跟機(jī)自動操作，每10臺支架安裝一組（兩個）傾角傳感器（測量值-30。~30。），機(jī)頭安裝一個信號轉(zhuǎn)換器和網(wǎng)絡(luò)變換器，負(fù)責(zé)將CAN總線通訊轉(zhuǎn)換為RS422通訊，將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。同時監(jiān)控中心將操作的指令通過CAN總線通訊傳輸至支架，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互和遠(yuǎn)程操作。系統(tǒng)通過讀取LASC慣性導(dǎo)航生成的工作面曲線實現(xiàn)工作面自動找直功能。b.LASC2.0結(jié)構(gòu)組成（LongWallAutomationSteeringCommitte）LASC是一套數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，安裝INS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（實現(xiàn)精確定位，姿態(tài)檢測）、搖臂安裝角度傳感器、SPMS采煤機(jī)位置測量系統(tǒng)等可實現(xiàn)采煤機(jī)精確定位、采高測量、煤機(jī)速度測量、機(jī)身姿態(tài)檢測、工作面直線度測量等。輔助以工作面煤層模型，可實現(xiàn)采煤機(jī)保持工作面平直（防上竄下滑）、采煤機(jī)自動調(diào)高控制（適應(yīng)起伏變化）、保持采煤機(jī)在煤層及3D可視化虛擬現(xiàn)實等功能。c.SAV結(jié)構(gòu)組成及原理每6臺支架安裝一臺云臺攝像儀（可實現(xiàn)180°旋轉(zhuǎn)）和綜合接入器，綜合接入器之間通過4N線連接（TCP/IP通訊協(xié)議）、每12臺支架安裝一臺WI-FI基站與綜合接入器通過4NS線連接（2.4G無線通信）,每3臺支架安裝一臺照明燈，工作面機(jī)頭機(jī)尾個安裝一臺光電轉(zhuǎn)換器，負(fù)責(zé)將TCP/IP通訊轉(zhuǎn)換為光纜通訊，將視頻數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心光電轉(zhuǎn)換器后接入數(shù)據(jù)交換機(jī)。d.SAS結(jié)構(gòu)組成及原理采煤機(jī)安裝一臺WI-FI基站（2.4G無線通信），負(fù)責(zé)LASC系統(tǒng)與工作面WI-FI環(huán)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，采煤機(jī)電纜通過載波通訊與順槽載波通訊模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，負(fù)責(zé)將采煤機(jī)工況傳輸至順槽網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，同時監(jiān)控中心將遠(yuǎn)控操作的指令通過載波通訊傳輸至煤機(jī)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。通過記憶采煤機(jī)LASC絕對位置、搖臂擺角、速度等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)采煤機(jī)記憶割煤。2.2.2順槽監(jiān)控自動化a.監(jiān)控中心結(jié)構(gòu)組成及原理安裝有6臺主機(jī)6臺顯示器（支架主界面、采煤機(jī)主界面、綜合控制主界面、支架視頻、煤壁視頻、跟機(jī)視頻），1臺支架遠(yuǎn)程操作臺（與支架主機(jī)通過RS232通訊），1臺采煤機(jī)遠(yuǎn)程操作臺（與采煤機(jī)主機(jī)通過RS232通訊），3臺數(shù)據(jù)交換機(jī)，將工作面和順槽數(shù)據(jù)進(jìn)行集合處理，處理完畢的數(shù)據(jù)經(jīng)過工作面模型控制計算后發(fā)出指令，通過CAN總線通訊和載波通信傳輸至支架和采煤機(jī)（順槽-采場）。經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)通過一臺路由交換機(jī)及光電轉(zhuǎn)化器實現(xiàn)順槽與井下以太網(wǎng)的通訊，從而與地面實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互（順槽-地面）。b.SAP結(jié)構(gòu)組成及原理每臺泵站安裝1臺綜合接線器，整套系統(tǒng)安裝1臺泵站主機(jī)、1臺操作臺（與泵站主機(jī)通過RS232通訊）、1臺PLC控制器（PLC接入組合開關(guān)先導(dǎo)回路），可實現(xiàn)遠(yuǎn)程和就地控制，泵站和泵箱安裝壓力傳感器、液位傳感器、流量傳感器、濃度傳感器、電流傳感器油位傳感器、溫度傳感器等，綜合接線器將傳感器數(shù)據(jù)采集傳輸PLC控制器，PLC將數(shù)據(jù)傳輸至泵站主機(jī)，集控主機(jī)分析處理，通過3180通訊將數(shù)據(jù)傳輸至綜合接入器，綜合接入器接入監(jiān)控中心的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集交互。2.2.3地面監(jiān)控自動化地面調(diào)度室安裝1臺服務(wù)器、2臺工作站（1臺支架主機(jī)、1臺采煤機(jī)主機(jī)）、3臺監(jiān)視器、1臺網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、1臺支架遠(yuǎn)程操作臺（與支架主機(jī)通過RS232通訊）、1臺采煤機(jī)遠(yuǎn)程操作臺（與采煤機(jī)主機(jī)通過RS232通訊），井下數(shù)據(jù)通過以工業(yè)太網(wǎng)通訊接入網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)后連接服務(wù)器，經(jīng)過服務(wù)器分析處理接入地面工作站，可實現(xiàn)地面調(diào)度對工作面設(shè)備的檢測功和遠(yuǎn)程啟停控制及遠(yuǎn)程干預(yù)操作功能。

3系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能

3.1綜采工作面自動化系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能

采煤機(jī)以記憶割煤為主，人工干預(yù)為輔，其過程如圖2所示；液壓支架以跟隨采煤機(jī)自動動作為主，人工干預(yù)為輔；綜采運輸設(shè)備實現(xiàn)集中自動化控制；依據(jù)LASC系統(tǒng)實現(xiàn)對工作面直線度狀態(tài)監(jiān)測，并在支架跟機(jī)自動控制過程中實現(xiàn)自動找直，其找直的電液控制參數(shù)設(shè)置及效果分別如圖3(a)和圖3(b)所示；依托全工作面視頻實時監(jiān)控；實現(xiàn)集視頻、語音、遠(yuǎn)程集中控制為一體的綜采工作面自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)綜采工作面自動化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工作面采煤機(jī)、刮板運輸機(jī)和液壓支架等設(shè)備的聯(lián)動控制和關(guān)聯(lián)閉鎖等功能。利用壓力、流量、行程、負(fù)荷、視頻等各種傳感器實現(xiàn)綜采工作面工況、設(shè)備狀態(tài)等信息的感知，為自動化系統(tǒng)的判斷提供依據(jù)。系統(tǒng)實現(xiàn)的主要自控功能為：具有雙向全截深采煤工藝的自動化跟機(jī)模式，采煤機(jī)記憶割煤，工作面液壓支架跟機(jī)移架、推溜、護(hù)幫板和伸縮梁的聯(lián)動。具有對工作面綜采設(shè)備的數(shù)據(jù)集成、處理、故障診斷、管理等功能。具有LASC采煤機(jī)絕對定位軌跡記錄，工作面自動找直功能。具有在地面調(diào)度中心對井下設(shè)備（采煤機(jī)、液壓支架、運輸機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)系統(tǒng)）的“一鍵”啟停控制和遠(yuǎn)程干預(yù)操控功能。具有在地面調(diào)度中心對綜采工作面設(shè)備的監(jiān)測功能。具有在順槽控制中心對綜采工作面設(shè)備的監(jiān)測及集中控制功能;具有泵站系統(tǒng)設(shè)備工況監(jiān)測及控制功能。具有對采煤機(jī)工況監(jiān)測與遠(yuǎn)程控制功能。具有工作面工業(yè)以太網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。具有工作面視頻系統(tǒng)，實現(xiàn)對主要綜采設(shè)備的實時監(jiān)控。具有井上下數(shù)據(jù)傳輸功能。具有對液壓支架工況監(jiān)測與遠(yuǎn)程控制功能。具有對工作面運輸設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測及控制功能。當(dāng)綜采工作面自動化控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，各子系統(tǒng)不受綜采自動化系統(tǒng)控制，以保證在檢修和自動化控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，各子系統(tǒng)能單獨開車，確保生產(chǎn)不受影響。

3.2實施過程中發(fā)現(xiàn)的一些問題

通過項目實施，也發(fā)現(xiàn)了一些問題，主要表現(xiàn)如下：（1）自動化生產(chǎn)過程中煤巖識變功能是下一步突破的重點，雖聯(lián)系廠家進(jìn)行了進(jìn)一步的嘗試，但因攝像頭安裝位置、采高、大塊煤砸等，取得的效果不明顯；（2）自動化割煤是在采煤機(jī)學(xué)習(xí)正常循環(huán)結(jié)束后，利用記憶割煤功能實現(xiàn)的自動化割煤，在采場條件發(fā)生變化的情況下（如小構(gòu)造、褶曲、仰俯采變化較大的情況），采煤機(jī)自動化適應(yīng)能力差，無法準(zhǔn)確及時的調(diào)整采煤機(jī)姿態(tài)。（3）隨著工作面的推進(jìn)高差出現(xiàn)變化，工作面斜長也隨著變化，屆時需要通過調(diào)整支架架型及采場偽斜來控制刮板輸送機(jī)位置（既調(diào)整刮板輸送機(jī)的上竄下滑），自動化設(shè)備的無法滿足這種情況的開采。（4）工作面片幫煤於堵出現(xiàn)大塊煤翻出電纜槽現(xiàn)象，人工操作拉架時，會將抬底千斤行程全部伸完后在進(jìn)行拉架，這樣有效防止底槽電纜被擠故障，而自動化拉架未能實現(xiàn)該功能。（5）人工在拉架結(jié)束升架時，根據(jù)工作面采場條件一般會將平衡千斤動作將頂梁上仰1°左右，這樣既能保證頂梁接頂嚴(yán)實，又能防止偽頂脫落而造成空頂，而自動化拉架未能實現(xiàn)該功能。（6）工作面在周期來壓期間會出現(xiàn)局部片幫現(xiàn)象，人工割煤時會采取超前移架或帶壓擦頂移架及時支護(hù)頂板，而自動化拉架未能實現(xiàn)該功能。（7）支架無人員識別功能，人員在架間作業(yè)時也會自動操作，存在安全隱患；（8）液壓支架因本架濾芯堵塞更換不及時而出現(xiàn)的動作慢，導(dǎo)致部分動作不到位，且動作慢等現(xiàn)象。（9）程序穩(wěn)定性差，跟機(jī)過程中部分支架未能完成規(guī)定動作。（10）自動割煤拉架后，支架中心距調(diào)整狀態(tài)不準(zhǔn)確，存在“甩頭”現(xiàn)象。（11）采煤機(jī)斷電后，原學(xué)習(xí)記憶有關(guān)數(shù)據(jù)無法保存，需重新學(xué)習(xí)。

4結(jié)論

盡管綜采工作面自動化的研究己經(jīng)有十多年的歷史，但總的來說，綜采工作面自動化系統(tǒng)可靠性尚有待提高。本文以紅柳煤礦I040301綜采工作面為例，實現(xiàn)集視頻、語音、遠(yuǎn)程集中控制為一體的綜采工作面自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)工作面采煤機(jī)、刮板運輸機(jī)和液壓支架等設(shè)備的聯(lián)動控制、自動找直和關(guān)聯(lián)閉鎖等功能。同時也揭示出了綜采工作面自動化系統(tǒng)中仍需要下功夫進(jìn)行研究的一些問題。

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作者：楊長俊 李偉 單位：國家能源集團(tuán)寧煤集團(tuán)紅柳煤礦