錦界煤礦31111綜采工作面集中控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

艾井石

[摘 要]本文著重介紹了錦界煤礦31111綜采工作面集中控制系統(tǒng)（以下簡稱集控系統(tǒng)）的設(shè)計及應(yīng)用情況，綜采工作面機(jī)電設(shè)備集中控制系統(tǒng)，將綜采工作面多個系統(tǒng)集中控制，集中監(jiān)測，保證了綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)安全可靠運行，提高煤礦綜采工作面生產(chǎn)的效率、降低工作人員的勞動強度，多崗合一，減員增效。同時本文分析了綜采工作面自動化控制系統(tǒng)在實踐過程中存在的問題，并對自動化系統(tǒng)集成方案進(jìn)行了探討。

[關(guān)鍵詞]綜采工作面 自動化 集中控制 記憶割煤 自動拉架

中圖分類號：TD：823197 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）13-0089-03

1 前言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，多個系統(tǒng)分散管理、分散控制使得操作和管理越來越不方便，將多個系統(tǒng)集中到一個平臺進(jìn)行控制是綜采工作面控制的發(fā)展方向。實現(xiàn)綜采工作面設(shè)備的集中控制，可有效提高礦井的供電安全、設(shè)備的高效管理，促進(jìn)煤礦高產(chǎn)高效。同時為了更大程度上提高礦井安全生產(chǎn)的水平，煤礦綜采工作面集中監(jiān)測與控制的實現(xiàn)也至關(guān)重要。

目前，煤炭行業(yè)進(jìn)入產(chǎn)能過剩、市場疲軟和轉(zhuǎn)型發(fā)展新時期，面對生產(chǎn)成本管控的壓力，同時為了進(jìn)一步提高綜采工作面自動化水平，錦界煤礦對31111綜采工作面采煤機(jī)、液壓支架、刮板運輸機(jī)、破碎機(jī)、液壓泵站、噴霧泵以及供電系統(tǒng)進(jìn)行改造，實現(xiàn)集中控制、遠(yuǎn)程遙控控制、設(shè)備保護(hù)、系統(tǒng)故障自檢、緊急停機(jī)閉鎖、工作面及運輸順槽無線通訊等功能。同時多崗位合并，實現(xiàn)員工一崗多能，達(dá)到減員增效的目的。

2 錦界煤礦31111綜采工作面簡況

31111綜采工作面工作面長度243米，推進(jìn)長度3871.8米，機(jī)頭、機(jī)尾高度差3米，采高范圍2.92-3.5米，平均采高3.23米，順槽剖面煤層厚度范圍3.1-3.27米。31111綜采工作面采用JOY 7LS6C/LWS638采煤機(jī)：裝機(jī)總功率2125KW、牽引速度0-33m/min、生產(chǎn)能力3500t/h；三機(jī)采用天明變頻三機(jī)：刮板機(jī)功率2*1000KW，轉(zhuǎn)載機(jī)功率500KW，破碎機(jī)功率400KW；液壓泵站采用卡馬特K35055M（K16065M）型泵站：乳化泵功率4*315KW、噴霧泵功率3*160KW。

錦界煤礦31111綜采工作面主要集控設(shè)備列表如下：

3 集控系統(tǒng)方案

錦界煤礦31111綜采工作面集中控制系統(tǒng)，對整個工作面的底層設(shè)備進(jìn)行徹底改造，對整個綜采工作面的控制系統(tǒng)進(jìn)行重新部署， 實現(xiàn)現(xiàn)場控制與集控調(diào)度管理合成一體。綜采機(jī)頭馬蒂爾處設(shè)置集控控制室，安裝本安型集控主機(jī)和隔爆兼本安型數(shù)據(jù)服務(wù)器，實現(xiàn)對供電、三機(jī)、泵站、煤機(jī)、通信、排水等設(shè)備一體化監(jiān)控。同時引入馬蒂爾集中操控與無線遙控，實現(xiàn)馬蒂爾處三崗合一以及人員的巡檢控制，可減少操作工2名（1名控制臺電工、1名機(jī)頭監(jiān)控人員），減少現(xiàn)場電纜敷設(shè)50%，減少順槽主控設(shè)備6臺，實現(xiàn)全工作面及設(shè)備列車供電、三機(jī)、泵站、煤機(jī)、通信、排水等系統(tǒng)的無線遙控。系統(tǒng)架構(gòu)簡單，控制層架構(gòu)少，采用的雙總線通信技術(shù)，可靠性高，實時性好。集控子系統(tǒng)互相監(jiān)控，獨立控制，不互相影響，降低了操作風(fēng)險。集控系統(tǒng)設(shè)備，除了本安電源外，所有設(shè)備均采用接插連接，減少設(shè)備復(fù)雜的接線，方便快捷，便于檢修。乳化液泵根據(jù)壓力反饋進(jìn)行變頻調(diào)速，保證工作面恒壓恒流供液的同時節(jié)約用電30%以上。同時集控臺人機(jī)界面為工作人員提供了便捷的操作平臺。

3.1 集控系統(tǒng)硬件組成

工作面集控系統(tǒng)是由 KXH18（H）礦用本安型可編程控制器、KJD127（B）礦用隔爆兼本安型計算機(jī)組成，在泵站系統(tǒng)、運輸機(jī)、破碎機(jī)等設(shè)備上安裝KXH18（G）礦用本安型模塊化控制器，同時配套DXJ127/18 礦用隔爆兼本安型直流電源，KTK16（D） 礦用本安型急停擴(kuò)播電話、KHJ16 礦用本安型急停閉鎖、KZC127 礦用隔爆兼本安型信號轉(zhuǎn)換器。三機(jī)（轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、刮板運輸機(jī)）控制遙控器，泵站系統(tǒng)、供電系統(tǒng)遠(yuǎn)程操控器、煤機(jī)控制器均采用FYF35 礦用本安型遙控發(fā)射機(jī)。

3.2 集控系統(tǒng)設(shè)計原理

錦界煤礦31111綜采工作面采用德國倍福（Beckhoff）PLC進(jìn)行集中控制，控制箱內(nèi)的集控主機(jī)集成了CAN、I2C、Mod-bus三個現(xiàn)場總線，集中控制器與工作面各個控制模塊采用低速CAN總線連接，與三機(jī)冷卻分站進(jìn)行通信，三機(jī)的傳感器就近接入分站，分站通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和通信將數(shù)據(jù)傳輸給集控主機(jī)。與控制臺操作部分采用高速CAN總線，與顯示模塊之間采用I2C總線進(jìn)行集中顯示，同時以太網(wǎng)連接一臺防爆電腦實現(xiàn)組態(tài)畫面集中顯示。

三機(jī)的傳感器就近接入KXH18（G）控制分站，采集三機(jī)運行數(shù)據(jù)，冷卻狀況以及返回信號，分站通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和通信將數(shù)據(jù)傳輸給集控主機(jī)。集中控制器與液壓泵站控制分站進(jìn)行通信，分站負(fù)責(zé)泵站傳感器數(shù)據(jù)的上傳以及電磁閥的控制，具體功能有：①集中控制器與組合開關(guān)進(jìn)行通信，控制組合開關(guān)的啟停。②集中控制器與工作面無線接收站進(jìn)行通信，無線接收站接收無線遙控器的信號和采煤機(jī)的無線信號，并通過總線上傳至主機(jī)。③集控主機(jī)與控制計算機(jī)之間采用以太網(wǎng)進(jìn)行通信。計算機(jī)對集控主機(jī)進(jìn)行狀態(tài)顯示和參數(shù)配置。④視頻計算機(jī)與攝像機(jī)進(jìn)行通信，用于顯示工作面的視頻信息。⑤與控制計算機(jī)通過交換機(jī)連接，并上傳到井下一臺環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，通過交換機(jī)上傳至地面服務(wù)器。

3.3 集控系統(tǒng)控制流程

集中控制起動設(shè)備有遠(yuǎn)控、遙控、就地三種模式，按照生產(chǎn)開機(jī)流程實現(xiàn)三機(jī)、泵站一鍵起停。

4 集控系統(tǒng)各子系統(tǒng)設(shè)計功能

集中控制系統(tǒng)又稱中央控制系統(tǒng)，是指通過一定的專用控制設(shè)備，與各類終端、系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行通訊，并根據(jù)現(xiàn)場需求任意定制流程和人機(jī)交互界面，從而達(dá)到控制和操作簡單化的目的。

錦界煤礦31111工作面集控系統(tǒng)實現(xiàn)從綜采工作面底層設(shè)備的集成控制，集成操作及集中數(shù)據(jù)記錄。集控主機(jī)負(fù)責(zé)現(xiàn)場的控制，計算機(jī)負(fù)責(zé)現(xiàn)場運行狀態(tài)的顯示，分站用于現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集與控制。圖4為31111綜采工作面集中控制系統(tǒng)圖。設(shè)計的各子系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能：

4.1 工作面控制系統(tǒng)功能

整個綜采工作面三機(jī)、泵站、開關(guān)、移變、工作面語音通信及閉鎖采用一個平臺集中監(jiān)控，實現(xiàn)設(shè)備的集中控制、聯(lián)動控制、遙控控制、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控；

（1） 通過對采煤機(jī)電控系統(tǒng)的改造，同時在工作面加裝無線通訊模塊，進(jìn)而實現(xiàn)在集中控制臺對煤機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程無線控制。采煤機(jī)控制系統(tǒng)與支架的電液控系統(tǒng)配合實現(xiàn)自動跟機(jī)移架，完成系統(tǒng)所需的參數(shù)調(diào)用等。該系統(tǒng)直接與液壓控制系統(tǒng)相連，并進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。采煤機(jī)的數(shù)據(jù)通過液壓控制系統(tǒng)上傳至地面，在地面能調(diào)用采煤機(jī)的運行和故障參數(shù)。該系統(tǒng)還需具備對工作面刮板運輸機(jī)的負(fù)荷量的連續(xù)監(jiān)測，隨時監(jiān)視其工作狀況，在發(fā)生超負(fù)荷時（如：當(dāng)刮板運輸機(jī)發(fā)生超負(fù)荷時），可放慢采煤機(jī)的牽引速度，減少煤量，實現(xiàn)連續(xù)工作。

（2）工作面三機(jī)一鍵啟停，工作面三機(jī)啟停時，按照系統(tǒng)設(shè)定邏輯實現(xiàn)破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、刮板運輸機(jī)啟停。并具有三機(jī)冷卻水自動控制功能，工作面三機(jī)起動時，驅(qū)動電機(jī)冷卻水閥門自動開啟，對電機(jī)進(jìn)行冷卻，三機(jī)停止時冷卻水自動停止。

（3）工作面實現(xiàn)工作面語言全覆蓋，并實現(xiàn)工作面緊急廣播功能。工作面集控中心集成調(diào)度電話功能，當(dāng)遇到緊急情況，該電話撥通時，工作面沿線擴(kuò)音電話均可聽到電話廣播內(nèi)容。

（4）轉(zhuǎn)載機(jī)防壓死功能。刮板運輸機(jī)根據(jù)監(jiān)測轉(zhuǎn)載機(jī)的負(fù)載電流變化情況，實現(xiàn)轉(zhuǎn)載機(jī)過載時刮板機(jī)自動停機(jī).

（5）采煤機(jī)與液壓支架聯(lián)動控制，煤機(jī)根據(jù)記憶軌跡實現(xiàn)自動割煤，同時支架通過檢測煤機(jī)位置實現(xiàn)自動拉架、收護(hù)幫板等動作。

（6）馬蒂爾集中控制功能。運輸機(jī)機(jī)頭機(jī)尾及馬蒂兒出料口各安裝一臺高清攝像機(jī)及相關(guān)組件，在馬蒂兒處設(shè)置集中監(jiān)控室，實現(xiàn)工作面所有設(shè)備的遠(yuǎn)程設(shè)置、遠(yuǎn)程監(jiān)控、無線遙控等功能。將馬蒂兒司機(jī)、機(jī)頭看護(hù)工、控制臺電工“三崗合一”。

4.2 泵站控制系統(tǒng)

通過集控系統(tǒng)的改造，實現(xiàn)對現(xiàn)有卡瑪特泵站和雷波泵站的傳感器級控制，通過對乳化液泵的運行狀態(tài)、油溫、水壓、液位、出液總管壓力等數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，實現(xiàn)泵站運行時間均衡控制，均勻磨損。通過壓力反饋信號實現(xiàn)乳化泵的自動卸載、加載，變頻泵站的自動調(diào)速，泵站的工作面內(nèi)閉鎖，爆管檢測和故障泵站的自動投切。另外工作面內(nèi)增加乳化液泵急停閉鎖，工作面遇到錦界情況時，在綜采工作面可直接急停乳化液泵。

4.3 供電及無線通信系統(tǒng)

31111綜采工作面安裝7臺，順槽安裝4臺無線通訊綜合分站，采用無線綜合分站內(nèi)部組網(wǎng)的方式對工作面及順槽控制信號的全覆蓋，無線通訊分站之間采用標(biāo)準(zhǔn)插口，安裝方便快捷。

供電系統(tǒng)實現(xiàn)了主控制器與各類負(fù)荷開關(guān)的通信，實現(xiàn)移變、組合開關(guān)電壓、電流、運行狀態(tài)等實時數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測，歷史故障數(shù)據(jù)的存儲，組合開關(guān)的