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煤礦工作面自動(dòng)化控制系統探討論文
摘要：我國綜采工作面自動(dòng)化的研究己經(jīng)有十多年的歷史，但總的來(lái)說(shuō)，綜采工作面自動(dòng)化的設備零散組合多，整體成套系統少，因此系統可靠性有待提高。本文介紹工作面綜采自動(dòng)化控制系統的配套應用，以實(shí)現工作面少人化、無(wú)人化開(kāi)采為目標。系統依托貫穿工作面、順槽的工業(yè)以太網(wǎng)通信系統及無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信平臺，實(shí)現以綜采設備自動(dòng)化控制為核心，人員就地巡視干預為輔助，順槽、地面遠程集中監控為支撐的自動(dòng)化控制模式。
關(guān)鍵詞：綜采工作面；自動(dòng)化；成套設備；遠程監控
1概述
我國煤礦有綜采工作面3000多個(gè)，其中配備高端自動(dòng)化裝備的工作面有450個(gè)，僅占綜采工作面總數的15%。而發(fā)達國家已達到100%，基本開(kāi)始了綜采工作面從5人采煤向2人采煤再向無(wú)人化采煤的過(guò)渡[1，2]。例如：平均日產(chǎn)1.07萬(wàn)噸，采高2.05米的OakyCreek煤礦；平均日產(chǎn)近2萬(wàn)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(wàn)噸，采高4.5-4.8米，最高月產(chǎn)100萬(wàn)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(cháng)1人，操作工3人，巡視工1人的5人開(kāi)采模式[3]。國內也有二十多個(gè)礦區進(jìn)行過(guò)綜采工作面自動(dòng)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)了我國綜采設備的發(fā)展。如液壓支架可以實(shí)現跟隨采煤機的位置和方向自動(dòng)完成降-移-升、推溜、噴霧等動(dòng)作，采煤機能夠實(shí)現記憶割煤，運輸設備能夠實(shí)現變頻啟停和煤流監控調速等技術(shù)。但總的來(lái)說(shuō)，綜采工作面自動(dòng)化的整體配套設備還有欠缺，系統可靠性還有待提高。本文以紅柳煤礦I040301綜采工作面為例，介紹工作面綜采自動(dòng)化控制系統的配套及可靠容錯機制。綜采自動(dòng)化以工作面少人化、無(wú)人化開(kāi)采為目標，依托貫穿工作面、順槽的工業(yè)以太網(wǎng)通信系統及無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信平臺，實(shí)現以綜采設備自動(dòng)化控制為核心，人員就地巡視干預為輔助，順槽、地面遠程集中監控為支撐的自動(dòng)化控制模式[5]。
2煤礦工作面綜合自動(dòng)化系統配套
2.1系統配套組成
紅柳煤礦I040301自動(dòng)化工作面采用北京天地瑪珂公司綜采自動(dòng)化成套系統SAM，以液壓支架電液控系統SAC為基礎，采煤機絕對定位系統LASC為核心，智能集成供液系統SAP、工作面視頻監控系統SAV、采煤機控制系統SAS、順槽三機集成控制系統SAT、順槽膠帶輸送機集成控制系統SAB、集成供電系統、工作面工業(yè)以太網(wǎng)通訊、順槽監控中心、工作面語(yǔ)音通信、工作面控制模塊等12子系統為輔助，實(shí)現可視化遠程干預型智能化采煤技術(shù)。具有在地面調度中心對綜采工作面設備（采煤機、液壓支架、運輸機、轉載機、破碎機、皮帶機系統）的監測功能、“一鍵”啟�？刂坪瓦h程干預操控功能；具有在順槽控制中心對綜采工作面設備的監測及集中控制功能；具有對工作面綜采設備的數據集成、處理、故障診斷、管理等功能；具有工作面工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)現數據的高速傳輸；具有工作面視頻系統，實(shí)現對主要綜采設備的實(shí)時(shí)監控；實(shí)現雙向全截深與雙向半截深采煤工藝的自動(dòng)化跟機模式；具有工作面自動(dòng)找直功能；具有單機故障其他設備不受影響的容錯機制。
2.2系統配套原理及結構
2.2.1工作面自動(dòng)化a.SAC結構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(guò)4C線(xiàn)連接（CAN總線(xiàn)通訊協(xié)議）可實(shí)現鄰架、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（采煤機定位）實(shí)現跟隨采煤機跟機自動(dòng)操作，每10臺支架安裝一組（兩個(gè)）傾角傳感器（測量值-30。~30。），機頭安裝一個(gè)信號轉換器和網(wǎng)絡(luò )變換器，負責將CAN總線(xiàn)通訊轉換為RS422通訊，將數據傳輸至監控中心網(wǎng)絡(luò )交換機。同時(shí)監控中心將操作的指令通過(guò)CAN總線(xiàn)通訊傳輸至支架，實(shí)現數據交互和遠程操作。系統通過(guò)讀取LASC慣性導航生成的工作面曲線(xiàn)實(shí)現工作面自動(dòng)找直功能。b.LASC2.0結構組成（LongWallAutomationSteeringCommitte）LASC是一套數據采集處理系統，安裝INS慣性導航系統（實(shí)現精確定位，姿態(tài)檢測）、搖臂安裝角度傳感器、SPMS采煤機位置測量系統等可實(shí)現采煤機精確定位、采高測量、煤機速度測量、機身姿態(tài)檢測、工作面直線(xiàn)度測量等。輔助以工作面煤層模型，可實(shí)現采煤機保持工作面平直（防上竄下滑）、采煤機自動(dòng)調高控制（適應起伏變化）、保持采煤機在煤層及3D可視化虛擬現實(shí)等功能。c.SAV結構組成及原理每6臺支架安裝一臺云臺攝像儀（可實(shí)現180°旋轉）和綜合接入器，綜合接入器之間通過(guò)4N線(xiàn)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(guò)4NS線(xiàn)連接（2.4G無(wú)線(xiàn)通信）,每3臺支架安裝一臺照明燈，工作面機頭機尾個(gè)安裝一臺光電轉換器，負責將TCP/IP通訊轉換為光纜通訊，將視頻數據傳輸至監控中心光電轉換器后接入數據交換機。d.SAS結構組成及原理采煤機安裝一臺WI-FI基站（2.4G無(wú)線(xiàn)通信），負責LASC系統與工作面WI-FI環(huán)網(wǎng)進(jìn)行數據交互，采煤機電纜通過(guò)載波通訊與順槽載波通訊模塊進(jìn)行數據交換，負責將采煤機工況傳輸至順槽網(wǎng)絡(luò )交換機，同時(shí)監控中心將遠控操作的指令通過(guò)載波通訊傳輸至煤機，實(shí)現數據交互。通過(guò)記憶采煤機LASC絕對位置、搖臂擺角、速度等數據，實(shí)現采煤機記憶割煤。2.2.2順槽監控自動(dòng)化a.監控中心結構組成及原理安裝有6臺主機6臺顯示器（支架主界面、采煤機主界面、綜合控制主界面、支架視頻、煤壁視頻、跟機視頻），1臺支架遠程操作臺（與支架主機通過(guò)RS232通訊），1臺采煤機遠程操作臺（與采煤機主機通過(guò)RS232通訊），3臺數據交換機，將工作面和順槽數據進(jìn)行集合處理，處理完畢的數據經(jīng)過(guò)工作面模型控制計算后發(fā)出指令，通過(guò)CAN總線(xiàn)通訊和載波通信傳輸至支架和采煤機（順槽-采場(chǎng)）。經(jīng)過(guò)處理的數據通過(guò)一臺路由交換機及光電轉化器實(shí)現順槽與井下以太網(wǎng)的通訊，從而與地面實(shí)現數據交互（順槽-地面）。b.SAP結構組成及原理每臺泵站安裝1臺綜合接線(xiàn)器，整套系統安裝1臺泵站主機、1臺操作臺（與泵站主機通過(guò)RS232通訊）、1臺PLC控制器（PLC接入組合開(kāi)關(guān)先導回路），可實(shí)現遠程和就地控制，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(xiàn)器將傳感器數據采集傳輸PLC控制器，PLC將數據傳輸至泵站主機，集控主機分析處理，通過(guò)3180通訊將數據傳輸至綜合接入器，綜合接入器接入監控中心的網(wǎng)絡(luò )交換機實(shí)現數據采集交互。2.2.3地面監控自動(dòng)化地面調度室安裝1臺服務(wù)器、2臺工作站（1臺支架主機、1臺采煤機主機）、3臺監視器、1臺網(wǎng)絡(luò )交換機、1臺支架遠程操作臺（與支架主機通過(guò)RS232通訊）、1臺采煤機遠程操作臺（與采煤機主機通過(guò)RS232通訊），井下數據通過(guò)以工業(yè)太網(wǎng)通訊接入網(wǎng)絡(luò )交換機后連接服務(wù)器，經(jīng)過(guò)服務(wù)器分析處理接入地面工作站，可實(shí)現地面調度對工作面設備的檢測功和遠程啟�？刂萍斑h程干預操作功能。
3系統實(shí)現的主要功能
3.1綜采工作面自動(dòng)化系統主要實(shí)現的功能
采煤機以記憶割煤為主，人工干預為輔，其過(guò)程如圖2所示；液壓支架以跟隨采煤機自動(dòng)動(dòng)作為主，人工干預為輔；綜采運輸設備實(shí)現集中自動(dòng)化控制；依據LASC系統實(shí)現對工作面直線(xiàn)度狀態(tài)監測，并在支架跟機自動(dòng)控制過(guò)程中實(shí)現自動(dòng)找直，其找直的電液控制參數設置及效果分別如圖3(a)和圖3(b)所示；依托全工作面視頻實(shí)時(shí)監控；實(shí)現集視頻、語(yǔ)音、遠程集中控制為一體的綜采工作面自動(dòng)化系統，實(shí)現綜采工作面自動(dòng)化控制系統，實(shí)現工作面采煤機、刮板運輸機和液壓支架等設備的聯(lián)動(dòng)控制和關(guān)聯(lián)閉鎖等功能。利用壓力、流量、行程、負荷、視頻等各種傳感器實(shí)現綜采工作面工況、設備狀態(tài)等信息的感知，為自動(dòng)化系統的判斷提供依據。系統實(shí)現的主要自控功能為：具有雙向全截深采煤工藝的自動(dòng)化跟機模式，采煤機記憶割煤，工作面液壓支架跟機移架、推溜、護幫板和伸縮梁的聯(lián)動(dòng)。具有對工作面綜采設備的數據集成、處理、故障診斷、管理等功能。具有LASC采煤機絕對定位軌跡記錄，工作面自動(dòng)找直功能。具有在地面調度中心對井下設備（采煤機、液壓支架、運輸機、轉載機、破碎機系統）的“一鍵”啟�？刂坪瓦h程干預操控功能。具有在地面調度中心對綜采工作面設備的監測功能。具有在順槽控制中心對綜采工作面設備的監測及集中控制功能;具有泵站系統設備工況監測及控制功能。具有對采煤機工況監測與遠程控制功能。具有工作面工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)現數據的高速傳輸。具有工作面視頻系統，實(shí)現對主要綜采設備的實(shí)時(shí)監控。具有井上下數據傳輸功能。具有對液壓支架工況監測與遠程控制功能。具有對工作面運輸設備運行狀態(tài)監測及控制功能。當綜采工作面自動(dòng)化控制系統出現故障時(shí)，各子系統不受綜采自動(dòng)化系統控制，以保證在檢修和自動(dòng)化控制系統出現故障時(shí)，各子系統能單獨開(kāi)車(chē)，確保生產(chǎn)不受影響。
3.2實(shí)施過(guò)程中發(fā)現的一些問(wèn)題
通過(guò)項目實(shí)施，也發(fā)現了一些問(wèn)題，主要表現如下：（1）自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中煤巖識變功能是下一步突破的重點(diǎn)，雖聯(lián)系廠(chǎng)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(dòng)化割煤是在采煤機學(xué)習正常循環(huán)結束后，利用記憶割煤功能實(shí)現的自動(dòng)化割煤，在采場(chǎng)條件發(fā)生變化的情況下（如小構造、褶曲、仰俯采變化較大的情況），采煤機自動(dòng)化適應能力差，無(wú)法準確及時(shí)的調整采煤機姿態(tài)。（3）隨著(zhù)工作面的推進(jìn)高差出現變化，工作面斜長(cháng)也隨著(zhù)變化，屆時(shí)需要通過(guò)調整支架架型及采場(chǎng)偽斜來(lái)控制刮板輸送機位置（既調整刮板輸送機的上竄下滑），自動(dòng)化設備的無(wú)法滿(mǎn)足這種情況的開(kāi)采。（4）工作面片幫煤於堵出現大塊煤翻出電纜槽現象，人工操作拉架時(shí)，會(huì )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(dòng)化拉架未能實(shí)現該功能。（5）人工在拉架結束升架時(shí)，根據工作面采場(chǎng)條件一般會(huì )將平衡千斤動(dòng)作將頂梁上仰1°左右，這樣既能保證頂梁接頂嚴實(shí)，又能防止偽頂脫落而造成空頂，而自動(dòng)化拉架未能實(shí)現該功能。（6）工作面在周期來(lái)壓期間會(huì )出現局部片幫現象，人工割煤時(shí)會(huì )采取超前移架或帶壓擦頂移架及時(shí)支護頂板，而自動(dòng)化拉架未能實(shí)現該功能。（7）支架無(wú)人員識別功能，人員在架間作業(yè)時(shí)也會(huì )自動(dòng)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(shí)而出現的動(dòng)作慢，導致部分動(dòng)作不到位，且動(dòng)作慢等現象。（9）程序穩定性差，跟機過(guò)程中部分支架未能完成規定動(dòng)作。（10）自動(dòng)割煤拉架后，支架中心距調整狀態(tài)不準確，存在“甩頭”現象。（11）采煤機斷電后，原學(xué)習記憶有關(guān)數據無(wú)法保存，需重新學(xué)習。
4結論
盡管綜采工作面自動(dòng)化的研究己經(jīng)有十多年的歷史，但總的來(lái)說(shuō)，綜采工作面自動(dòng)化系統可靠性尚有待提高。本文以紅柳煤礦I040301綜采工作面為例，實(shí)現集視頻、語(yǔ)音、遠程集中控制為一體的綜采工作面自動(dòng)化系統，實(shí)現工作面采煤機、刮板運輸機和液壓支架等設備的聯(lián)動(dòng)控制、自動(dòng)找直和關(guān)聯(lián)閉鎖等功能。同時(shí)也揭示出了綜采工作面自動(dòng)化系統中仍需要下功夫進(jìn)行研究的一些問(wèn)題。
參考文獻
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[5]神華寧煤集團紅柳煤礦綜采二隊,I040301綜采工作面采煤作業(yè)規程,2017,6.
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