綜合控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無人綜放工作面自動控制的應(yīng)用與研究

王曉天

（同煤浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 朔州 036002）

0 引言

實(shí)現(xiàn)煤礦綜放工作面無人自動化控制的關(guān)鍵就是對采煤工作面的設(shè)備進(jìn)行可靠的監(jiān)控并對設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行記憶分析，并由人工進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，真正實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)監(jiān)控的無人（少人）值守目標(biāo)。在故障發(fā)生時(shí)，通過自動化控制能夠減少煤礦的經(jīng)濟(jì)損失，為煤礦工作人員提供生命及財(cái)產(chǎn)安全保障。因此，充分掌握綜放工作面的各設(shè)備運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程控制啟停、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控并上傳對于實(shí)現(xiàn)綜放工作面無人自動化值守具有重要意義。

麻家梁14102綜放工作面煤層均厚7.4～11.0 m，煤層傾角3°～5°，工作面走向長度1 788 m，工作面長度229.75 m。工作面布置134臺鄭煤機(jī)產(chǎn)ZF15000/27.5/42D型支架，配套有德國艾柯夫SL500型采煤機(jī)、德國比塞洛斯PF6/1142型前刮板機(jī)、PF6/1342型后刮板機(jī)、PF6/1542型轉(zhuǎn)載機(jī)及寧夏西北煤機(jī)制造的DSJ140/350/2×800型膠帶輸送機(jī)，使用天地瑪克電液控制系統(tǒng)。

1 綜合控制系統(tǒng)概述

如圖1所示，綜合控制系統(tǒng)可分成3個(gè)層次，第一層次為單機(jī)設(shè)備層，第二層次為集中控制層（監(jiān)控中心），第三層次為地面層。

在單機(jī)設(shè)備層中，獨(dú)立控制作業(yè)主要依靠各個(gè)子系統(tǒng)共同完成。第一層中的子系統(tǒng)主要包括網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)、集成供液系統(tǒng)、電壓控制子系統(tǒng)、電氣控制子系統(tǒng)、煤機(jī)子系統(tǒng)等，其中網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)又包括工作面中的三維系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)以及以太網(wǎng)系統(tǒng)等；運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)主要包括皮帶機(jī)控制系統(tǒng)以及三機(jī)控制系統(tǒng)；而集成供液系統(tǒng)主要指的是煤礦泵站系統(tǒng)。單機(jī)設(shè)備層中各個(gè)子系統(tǒng)全部設(shè)置通信接口，并與綜采自動化系統(tǒng)開放通信協(xié)議，通過通信協(xié)議以及通信接口，綜采自動化系統(tǒng)就能夠?qū)崿F(xiàn)對子系統(tǒng)運(yùn)行過程中各種數(shù)據(jù)的采集，并實(shí)現(xiàn)對子系統(tǒng)反向啟動、停止的控制。

在幾種控制層中，各項(xiàng)作業(yè)主要在監(jiān)控中心實(shí)施。監(jiān)控中心的自動化系統(tǒng)的建立，主要是將工作面監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)、泵站控制系統(tǒng)、三機(jī)控制系統(tǒng)、電液控制系統(tǒng)、煤機(jī)控制系統(tǒng)等有機(jī)地結(jié)合起來，具備所有系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，對工作面設(shè)備在作業(yè)運(yùn)行過程中的幾種控制與遠(yuǎn)程監(jiān)控效果。

地面層實(shí)現(xiàn)對綜采工作面設(shè)備的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測，實(shí)時(shí)掌握工作面各設(shè)備的工況。

圖1 綜合控制系統(tǒng)層次圖

2 綜合控制系統(tǒng)工作原理及應(yīng)用

建立綜放工作面生產(chǎn)調(diào)度指揮中心，通過光纜覆蓋，上傳語音、視頻、設(shè)備運(yùn)行工況參數(shù)及故障在線監(jiān)測，本系統(tǒng)的監(jiān)測功能數(shù)據(jù)來源均采集自各子系統(tǒng)。綜采工作面監(jiān)控中心將采煤機(jī)系統(tǒng)、泵站集中控制系統(tǒng)、運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)、電液控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了對綜采工作面的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控；對液壓支架以及采煤機(jī)的控制，可以在監(jiān)控中心通過遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，有效地降低了控制的勞動量，減少人工操作；傳統(tǒng)的一個(gè)機(jī)器多個(gè)系統(tǒng)，嚴(yán)重影響綜采面工作的控制，將通信、監(jiān)視、控制有機(jī)地結(jié)合在一起，提高了自動化系統(tǒng)運(yùn)行效率；傳統(tǒng)的工作面自動化系統(tǒng)中，通信、控制、數(shù)據(jù)、視頻等系統(tǒng)各成體系，工作面系統(tǒng)投入較大，采用將各個(gè)系統(tǒng)集中結(jié)合起來的方式，讓一條主線在工作面中橫穿，在很大程度上簡化了工作面，降低了工作面布置的投入，為企業(yè)節(jié)約了大量的資金；系統(tǒng)本安化設(shè)計(jì)，具有高可靠性；系統(tǒng)采用快速插頭連接，安裝、維護(hù)方便；該系統(tǒng)建設(shè)安裝工程中，采用了成套的設(shè)備體系，各個(gè)子系統(tǒng)之間緊密地聯(lián)系起來，具有可靠性強(qiáng)、連接性高等特點(diǎn)；另外該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對采煤機(jī)、液壓支架的遠(yuǎn)程集中控制，并且可以延時(shí)控制到500ms之下，提高了該系統(tǒng)的實(shí)用性。

2.1 綜合控制系統(tǒng)工作原理

綜合應(yīng)用控制系統(tǒng)系統(tǒng)的監(jiān)測功能數(shù)據(jù)來源均采集自各子系統(tǒng)。系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)如下：

1）工作面各設(shè)備運(yùn)行工況顯示。

2）采煤機(jī)工況顯示。主要包括：左右搖臂、左右牽引軸承的溫度，牽引方向、速度，液壓系統(tǒng)備壓壓力及泵箱內(nèi)液壓油的高度，冷卻水流量、壓力，油箱溫度，左右滾筒高度，機(jī)身仰俯角度，采煤機(jī)在工作面位置。

3）運(yùn)輸機(jī)的工況顯示。主要包括運(yùn)輸機(jī)的啟停狀態(tài)、工作電流、工作電壓、功率。

4）液壓支架工況顯示。各支架壓力值、各支架推移行程、各電磁閥動作狀態(tài)、主機(jī)與工作面控制系統(tǒng)通信狀態(tài)。

5）泵站系統(tǒng)工況顯示。泵站出口壓力、泵站油溫、泵站油位狀態(tài)、泵站電磁閥動作情況、液箱液位、乳化油油箱油位。

6）工作面設(shè)備與監(jiān)控中心各主控計(jì)算機(jī)的通信狀態(tài)顯示。

7）工作面設(shè)備保護(hù)信息顯示。包括漏電、斷相、過載、各種故障狀態(tài)、數(shù)字信號的反饋等。

8）工作面語音系統(tǒng)狀態(tài)顯示。包括電話閉鎖狀態(tài)顯示、急停狀態(tài)顯示和斷路位置顯示（斷路的具體架號）。9）環(huán)境參數(shù)的顯示。包括工作面瓦斯、CO等數(shù)據(jù)。10）歷史故障查詢功能。對所有可能出現(xiàn)故障的地方進(jìn)行記錄。

11）礦壓分析數(shù)據(jù)。

12）工作面視頻顯示。

13）進(jìn)行視頻管理，查詢，存儲等功能。

2.2 綜合控制系統(tǒng)功能及應(yīng)用

通過通信接口向各子系統(tǒng)發(fā)出控制指令來完成系統(tǒng)的控制功能：1）建立工作面生產(chǎn)調(diào)度指揮中心，實(shí)現(xiàn)工作面集中自動化控制；2）液壓支架跟機(jī)自動化控制及遠(yuǎn)程遙控；3）采煤機(jī)遠(yuǎn)程遙控；4）集成供液系統(tǒng)智能自動化控制，對工作面泵站、過濾系統(tǒng)集中自動化控制；5）將三機(jī)監(jiān)視、通信、控制有機(jī)地集合起來，并在綜采工作面監(jiān)控中心內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、運(yùn)輸機(jī)等的遠(yuǎn)程集中控制。

在生產(chǎn)過程中，采煤機(jī)中部裝有紅外線發(fā)射裝置，兩端裝有采高、臥底指示儀，每臺電液控支架前立柱上裝有一個(gè)紅外線接收裝置，在采煤機(jī)牽引過程中，收到紅外線信號的電液控支架將護(hù)壁板及伸縮梁收回，采煤機(jī)后滾筒割完底煤后，電液控支架收到紅外線信號后開始將立柱、移架、升立柱、伸縮梁、前梁、護(hù)壁板成組，然后依照程序設(shè)定的參數(shù)實(shí)現(xiàn)推前部輸送機(jī)、拉后部輸送機(jī)。

支架和采煤機(jī)的協(xié)調(diào)聯(lián)動是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)"無人工作面的首要條件"。采煤機(jī)具有記憶截割以及遠(yuǎn)程控制的功能，其中記憶割煤主要由位置控制以及采高控制兩個(gè)部分構(gòu)成。在進(jìn)行采樣過程中，首先應(yīng)該對取樣間隔時(shí)間進(jìn)行明確，并確定工作面的長度、寬度等參數(shù)，同時(shí)記錄與存儲采煤機(jī)的實(shí)際位置、仰俯角度等。而采高控制主要發(fā)生于采煤機(jī)正常運(yùn)行過程中，將煤層結(jié)構(gòu)、厚度等不斷變化過程匯總，對滾筒的位置進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整。另外，在綜采工作面實(shí)現(xiàn)支架控制器互聯(lián)的情況下，將主控計(jì)算機(jī)設(shè)置在設(shè)備列車中，并實(shí)現(xiàn)主控計(jì)算機(jī)與支架控制器之間的互聯(lián)。

監(jiān)控主機(jī)是液壓支架電液控制系統(tǒng)中的主要配套設(shè)備。其主要功能為：在程序作用下，通過采集液壓支架上的工作狀態(tài)信息，并用顯示屏幕顯示，通過程序軟件將有用信息傳輸?shù)降孛嬗?jì)算機(jī)。它是以AMD T56N處理器為核心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其主要工作原理是：利用程序以RS485或RS232通訊接口，從液壓支架上獲取支架的工作狀態(tài)信息，并把工作狀態(tài)信息顯示在屏幕上。同時(shí)也能把狀態(tài)信息數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)接口傳輸出來。

操作臺是視頻系統(tǒng)或者支架遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的一個(gè)重要控制設(shè)備。在視頻系統(tǒng)中，操作臺通過RS232通訊與視頻系統(tǒng)的虛擬控制中心相連；用戶通過對操作臺的按鍵控制進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對虛擬控制中心的操作，虛擬控制中心將視頻切換指令發(fā)送給視頻監(jiān)視器，完成視頻監(jiān)視器的視頻切換功能。在支架控制系統(tǒng)中，操作臺與耦合器通過雙線CAN相連，通過操作臺和雙線CAN將控制指令發(fā)送至電液控制系統(tǒng)中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)支架的遠(yuǎn)程控制。另外，操作臺兼有RS485接口，可獲取采煤機(jī)位置指令。

該系統(tǒng)最高層為地面監(jiān)控站，通過本安型光纖環(huán)網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)與井下主控計(jì)算機(jī)之間的通信互聯(lián)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的共享，保證了在地面就能詳細(xì)了解井下作業(yè)情況，為支架控制、作業(yè)調(diào)整等提供有力的依據(jù)。

3 綜合控制系統(tǒng)在綜放無人工作面應(yīng)用有待完善的研究方向

1）煤層結(jié)構(gòu)有變化時(shí)，需要大傾角上提或下剎工作面時(shí)仍需要人工操控采煤機(jī)。

2）目前，綜放工作面在放頂煤的環(huán)節(jié)上采用程序控制不可行，原因有二：一是煤量、矸石量不容易掌控；二是在伸后插板的過程中，若無人監(jiān)控，容易將后插板插在刮板機(jī)內(nèi)，造成機(jī)械事故。

3）工作面頭、尾過渡支架采用電液控制，比手動操作過渡支架效果差，原因是電液控制支架已預(yù)先設(shè)定好給液時(shí)間參數(shù)，但是頭尾過渡支架噸位大，又處于巷道中，因此支架給液時(shí)間短不能滿足拉移支架、推拉前、后刮板機(jī)的需要。另外，過渡支架移架往往不如普通架容易，因此在移架過程中需要多個(gè)千斤同時(shí)動作，但是電液程序化控制支架目前不能很好地應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。

4）電液支架電磁先導(dǎo)閥對水質(zhì)要求苛刻，工作面供水、回液過濾經(jīng)5級過濾后才能達(dá)到規(guī)定的精度（不超過25 μm），過濾系統(tǒng)復(fù)雜，對人員維護(hù)設(shè)備的能力提出了更高的要求。

4 結(jié)語

綜合控制系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)、液壓技術(shù)、電液控制、檢測技術(shù)、無線通訊技術(shù)綜合一體化的新技術(shù)。采煤機(jī)、支架、三機(jī)、泵站系統(tǒng)協(xié)調(diào)聯(lián)動，極大地提高了生產(chǎn)效率。

［1］ 張福建.電牽引采煤機(jī)記憶截割控制策略的研究［D］.北京：煤炭科學(xué)研究院，2007.

［2］ 田慕琴，辛忠東.基于記憶截割的采煤機(jī)自動調(diào)高預(yù)見控制系統(tǒng)［J］.煤礦機(jī)電，2002（6）：29-32.

［3］ 劉春生，侯清泉.采煤機(jī)滾筒自動調(diào)高記憶程控再現(xiàn)模式［J］.煤礦機(jī)電，2004（5）：22-24，29.

［4］ 劉闊，劉杰，尹力，等.基于多傳感器數(shù)據(jù)融合記憶截割的研究［J］.煤礦機(jī)械，2008，29（5）：50-51.