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煤礦工作面自動化控制系統探討論文
摘要：我國綜采工作面自動化的研究己經有十多年的歷史，但總的來說，綜采工作面自動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化控制系統的配套應用，以實現工作面少人化、無人化開采為目標。系統依托貫穿工作面、順槽的工業以太網通信系統及無線網絡通信平臺，實現以綜采設備自動化控制為核心，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化控制模式。
關鍵詞：綜采工作面；自動化；成套設備；遠程監控
1概述
我國煤礦有綜采工作面3000多個，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的15%。而發達國家已達到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1.07萬噸，采高2.05米的OakyCreek煤礦；平均日產近2萬噸，采高3-3.2米的嘉能可(Glencore)公司布爾加井工礦（BulgaUnderground）；日產最高4.5萬噸，采高4.5-4.8米，最高月產100萬噸的Anglo公司莫蘭巴北礦等。這些煤礦已發展到工作面班長1人，操作工3人，巡視工1人的5人開采模式[3]。國內也有二十多個礦區進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了我國綜采設備的發展。如液壓支架可以實現跟隨采煤機的位置和方向自動完成降-移-升、推溜、噴霧等動作，采煤機能夠實現記憶割煤，運輸設備能夠實現變頻啟停和煤流監控調速等技術。但總的來說，綜采工作面自動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化控制系統的配套及可靠容錯機制。綜采自動化以工作面少人化、無人化開采為目標，依托貫穿工作面、順槽的工業以太網通信系統及無線網絡通信平臺，實現以綜采設備自動化控制為核心，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化控制模式[5]。
2煤礦工作面綜合自動化系統配套
2.1系統配套組成
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、工作面工業以太網通訊、順槽監控中心、工作面語音通信、工作面控制模塊等12子系統為輔助，實現可視化遠程干預型智能化采煤技術。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”啟停控制和遠程干預操控功能；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；具有工作面工業以太網，實現數據的高速傳輸；具有工作面視頻系統，實現對主要綜采設備的實時監控；實現雙向全截深與雙向半截深采煤工藝的自動化跟機模式；具有工作面自動找直功能；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4C線連接（CAN總線通訊協議）可實現鄰架、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）實現跟隨采煤機跟機自動操作，每10臺支架安裝一組（兩個）傾角傳感器（測量值-30。~30。），機頭安裝一個信號轉換器和網絡變換器，負責將CAN總線通訊轉換為RS422通訊，將數據傳輸至監控中心網絡交換機。同時監控中心將操作的指令通過CAN總線通訊傳輸至支架，實現數據交互和遠程操作。系統通過讀取LASC慣性導航生成的工作面曲線實現工作面自動找直功能。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（實現精確定位，姿態檢測）、搖臂安裝角度傳感器、SPMS采煤機位置測量系統等可實現采煤機精確定位、采高測量、煤機速度測量、機身姿態檢測、工作面直線度測量等。輔助以工作面煤層模型，可實現采煤機保持工作面平直（防上竄下滑）、采煤機自動調高控制（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（可實現180°旋轉）和綜合接入器，綜合接入器之間通過4N線連接（TCP/IP通訊協議）、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，工作面機頭機尾個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無線通信），負責LASC系統與工作面WI-FI環網進行數據交互，采煤機電纜通過載波通訊與順槽載波通訊模塊進行數據交換，負責將采煤機工況傳輸至順槽網絡交換機，同時監控中心將遠控操作的指令通過載波通訊傳輸至煤機，實現數據交互。通過記憶采煤機LASC絕對位置、搖臂擺角、速度等數據，實現采煤機記憶割煤。2.2.2順槽監控自動化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RS232通訊），1臺采煤機遠程操作臺（與采煤機主機通過RS232通訊），3臺數據交換機，將工作面和順槽數據進行集合處理，處理完畢的數據經過工作面模型控制計算后發出指令，通過CAN總線通訊和載波通信傳輸至支架和采煤機（順槽-采場）。經過處理的數據通過一臺路由交換機及光電轉化器實現順槽與井下以太網的通訊，從而與地面實現數據交互（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RS232通訊）、1臺PLC控制器（PLC接入組合開關先導回路），可實現遠程和就地控制，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絡交換機實現數據采集交互。2.2.3地面監控自動化地面調度室安裝1臺服務器、2臺工作站（1臺支架主機、1臺采煤機主機）、3臺監視器、1臺網絡交換機、1臺支架遠程操作臺（與支架主機通過RS232通訊）、1臺采煤機遠程操作臺（與采煤機主機通過RS232通訊），井下數據通過以工業太網通訊接入網絡交換機后連接服務器，經過服務器分析處理接入地面工作站，可實現地面調度對工作面設備的檢測功和遠程啟停控制及遠程干預操作功能。
3系統實現的主要功能
3.1綜采工作面自動化系統主要實現的功能
采煤機以記憶割煤為主，人工干預為輔，其過程如圖2所示；液壓支架以跟隨采煤機自動動作為主，人工干預為輔；綜采運輸設備實現集中自動化控制；依據LASC系統實現對工作面直線度狀態監測，并在支架跟機自動控制過程中實現自動找直，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時監控；實現集視頻、語音、遠程集中控制為一體的綜采工作面自動化系統，實現綜采工作面自動化控制系統，實現工作面采煤機、刮板運輸機和液壓支架等設備的聯動控制和關聯閉鎖等功能。利用壓力、流量、行程、負荷、視頻等各種傳感器實現綜采工作面工況、設備狀態等信息的感知，為自動化系統的判斷提供依據。系統實現的主要自控功能為：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動。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”啟停控制和遠程干預操控功能。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。具有工作面工業以太網，實現數據的高速傳輸。具有工作面視頻系統，實現對主要綜采設備的實時監控。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監測及控制功能。當綜采工作面自動化控制系統出現故障時，各子系統不受綜采自動化系統控制，以保證在檢修和自動化控制系統出現故障時，各子系統能單獨開車，確保生產不受影響。
3.2實施過程中發現的一些問題
通過項目實施，也發現了一些問題，主要表現如下：（1）自動化生產過程中煤巖識變功能是下一步突破的重點，雖聯系廠家進行了進一步的嘗試，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學習正常循環結束后，利用記憶割煤功能實現的自動化割煤，在采場條件發生變化的情況下（如小構造、褶曲、仰俯采變化較大的情況），采煤機自動化適應能力差，無法準確及時的調整采煤機姿態。（3）隨著工作面的推進高差出現變化，工作面斜長也隨著變化，屆時需要通過調整支架架型及采場偽斜來控制刮板輸送機位置（既調整刮板輸送機的上竄下滑），自動化設備的無法滿足這種情況的開采。（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，會將抬底千斤行程全部伸完后在進行拉架，這樣有效防止底槽電纜被擠故障，而自動化拉架未能實現該功能。（5）人工在拉架結束升架時，根據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實，又能防止偽頂脫落而造成空頂，而自動化拉架未能實現該功能。（6）工作面在周期來壓期間會出現局部片幫現象，人工割煤時會采取超前移架或帶壓擦頂移架及時支護頂板，而自動化拉架未能實現該功能。（7）支架無人員識別功能，人員在架間作業時也會自動操作，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的動作慢，導致部分動作不到位，且動作慢等現象。（9）程序穩定性差，跟機過程中部分支架未能完成規定動作。（10）自動割煤拉架后，支架中心距調整狀態不準確，存在“甩頭”現象。（11）采煤機斷電后，原學習記憶有關數據無法保存，需重新學習。
4結論
盡管綜采工作面自動化的研究己經有十多年的歷史，但總的來說，綜采工作面自動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，實現集視頻、語音、遠程集中控制為一體的綜采工作面自動化系統，實現工作面采煤機、刮板運輸機和液壓支架等設備的聯動控制、自動找直和關聯閉鎖等功能。同時也揭示出了綜采工作面自動化系統中仍需要下功夫進行研究的一些問題。
參考文獻
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[2]黃曾華,綜采工作面自動化控制技術的應用現狀與發展趨勢[J].工礦自動化,2013，39(10):17，21.
[3]董冠軍,煤礦井下無人工作面的發展前景[J].山西煤炭,2011，9.
[4]賀海濤,綜采工作面自動化在神東礦區的實踐[J].陜西煤炭,2009(2):51-52.
[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規程,2017,6.
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