采煤工作面自動(dòng)化系統(tǒng)在教學(xué)礦井的應(yīng)用研究

寧東旭 曹阿軍 張 甜 曹瑞琴

（1.運(yùn)城職業(yè)技術(shù)學(xué)院，運(yùn)城 044000；2.山西長江源房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，運(yùn)城 044000）

1 研究礦井工作面條件

教學(xué)礦井由山西省蒲縣宏源煤業(yè)集團(tuán)投資建設(shè)，地處運(yùn)城職業(yè)技術(shù)學(xué)院校園內(nèi)。教學(xué)礦井的建設(shè)以現(xiàn)代化礦井的技術(shù)含量為要求，以我國當(dāng)前煤礦中等裝備為水平，按照煤礦質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)以1:1的比例建設(shè)了井巷工程，形成了真實(shí)的大型現(xiàn)代化煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場和環(huán)境。教學(xué)礦井布置有綜采工作面、高檔普采工作面、煤巷綜掘工作面、巖巷炮掘工作面、探放水掘進(jìn)工作面、探測煤與瓦斯突出掘進(jìn)工作面等，本文對(duì)綜采工作面采煤自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用研究。

1.1 平臺(tái)建設(shè)

教學(xué)礦井中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成基礎(chǔ)為100Mbps局域網(wǎng)，信息傳輸系統(tǒng)采用主干網(wǎng)傳輸速率為100Mbps的工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)，主要參數(shù)如表1所示。

表1 交換機(jī)主要參數(shù)

1.2 綜采工作面巷道參數(shù)

綜采工作面巷道參數(shù)，如表2所示。

表2 綜采工作面巷道參數(shù)

1.3 工作面主要設(shè)備

工作面主要設(shè)備參數(shù)，如表3所示。

表3 工作面主要設(shè)備參數(shù)

2 總體設(shè)計(jì)思想及原則

采煤工作面自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用使教學(xué)礦井達(dá)到國內(nèi)一流的自動(dòng)化采煤工作面水平；實(shí)現(xiàn)了教學(xué)礦井采煤的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)采集、信息化生產(chǎn)調(diào)度及科學(xué)化的經(jīng)營管理和決策指揮。系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)井上下對(duì)采煤機(jī)操作的信息共享與聯(lián)通，各子系統(tǒng)能夠充分共享信息資源和設(shè)備資源，實(shí)現(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)協(xié)同有序運(yùn)行。

充分利用教學(xué)礦井現(xiàn)有的資源，并以此為基礎(chǔ)力爭將教學(xué)礦井采煤工作面自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)成為區(qū)域領(lǐng)先、國內(nèi)先進(jìn)的自動(dòng)化采煤系統(tǒng)，為煤炭企業(yè)職工安全培訓(xùn)、高等院校學(xué)生實(shí)踐教學(xué)和科研院所煤炭科研打造一個(gè)信息化示范工程。

3 設(shè)計(jì)目標(biāo)

以教學(xué)礦井工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)為基礎(chǔ)，通過建立采煤工作面自動(dòng)化系統(tǒng)，促進(jìn)礦井綜合信息化建設(shè)；提高教學(xué)礦井整體生產(chǎn)工業(yè)化水平，實(shí)現(xiàn)集中控制、集中調(diào)度、集中指揮；形成完整的、具有教學(xué)礦井特色的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用模式。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采煤工作面自動(dòng)化系統(tǒng)主要系統(tǒng)包括液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)、電牽引采煤機(jī)控制系統(tǒng)、工作面設(shè)備順序控制系統(tǒng)，輔助系統(tǒng)包括視頻監(jiān)控系統(tǒng)、膠帶輸送機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)等，其設(shè)計(jì)效果圖如圖1所示。系統(tǒng)主要監(jiān)控綜采工作面的三機(jī)配套運(yùn)行情況，即液壓支架、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)等設(shè)備的工況。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)效果圖

圖2 電液控制系統(tǒng)示意圖

在地面信息調(diào)度指揮中心，工作人員操作上位機(jī)軟件系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行情況、監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行畫面并能實(shí)時(shí)發(fā)布控制命令等。系統(tǒng)根據(jù)采煤機(jī)輸入的信息，對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行連續(xù)跟蹤，各子系統(tǒng)間相互配合自動(dòng)控制液壓支架和工作面上的其他設(shè)備，從而完成整個(gè)自動(dòng)化采煤過程。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

5.1 支架改造

教學(xué)礦井綜采工作面使用的是ZY2800/12/25支撐掩護(hù)式支架。支架改造工作主要包括液壓系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)、電氣產(chǎn)品安裝位置設(shè)計(jì)、通信電纜及液壓膠管的走向設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)一致性和兼容性的處理等。同時(shí)，改造完成的支架需滿足支架出廠的各項(xiàng)驗(yàn)收條件和電液控制系統(tǒng)的各項(xiàng)控制功能要求。

5.2 液壓系統(tǒng)改造

液壓系統(tǒng)的改造主要包括換向閥的變更、液壓膠管排布及更換等方面。為了滿足電液控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，在總供液部分需增加自動(dòng)反沖洗高壓過濾站，每臺(tái)支架內(nèi)增加手動(dòng)反沖洗過濾器。

5.3 電液控制系統(tǒng)改造

電液控制系統(tǒng)改造需增加的電控部件有控制器、驅(qū)動(dòng)器、隔離器、電源、壓力傳感器、紅外傳感器、無線收發(fā)器以及相應(yīng)的連接電纜等，如圖2所示。

圖3 采煤機(jī)控制改造示意圖

5.4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)改造

20個(gè)支架分布4個(gè)攝像頭，平均5個(gè)支架、1臺(tái)攝像儀，需要配套安裝2臺(tái)電源及2臺(tái)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器。

5.5 輸送機(jī)控制改造

輸送機(jī)目前直接通過負(fù)荷中心的按鈕進(jìn)行控制，需要改造為遠(yuǎn)程控制。利用負(fù)荷中心廠家預(yù)留的基于RS485的Modbus通信接口，提供通信技術(shù)協(xié)議。

5.6 采煤機(jī)控制改造

采煤機(jī)自身的控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集采煤機(jī)的各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控電腦，并執(zhí)行監(jiān)控電腦的遠(yuǎn)程控制命令。在硬件連接上，為了確保采煤機(jī)控制數(shù)據(jù)在傳輸過程中的可靠性，采用抗干擾能力比較強(qiáng)的RS485總線和采煤機(jī)通信，如圖3所示。

5.7 膠帶輸送機(jī)控制改造

利用膠帶輸送機(jī)控制分站的ModBus-TCP通信接口提供通信協(xié)議，并通過通信電纜連接至監(jiān)控中心。

5.8 采煤自動(dòng)化系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

采煤工作面自動(dòng)化控制系統(tǒng)上位機(jī)軟件的集成畫面參考各子系統(tǒng)廠商的畫面，主要包括采煤機(jī)系統(tǒng)界面、膠帶輸送機(jī)監(jiān)控界面、液壓支架監(jiān)控界面等。它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息、設(shè)備運(yùn)行工況信息、設(shè)備故障診斷信息的連續(xù)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測；完成對(duì)工作面采煤機(jī)、膠帶輸送機(jī)、液壓支架電液控制系統(tǒng)等信息的集中監(jiān)測、顯示、傳輸；將與生產(chǎn)管理有關(guān)的信息通過礦井環(huán)網(wǎng)實(shí)時(shí)地傳輸?shù)降孛嬷鳈C(jī)，并根據(jù)需要在地面進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示和數(shù)據(jù)傳輸。

軟件系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)實(shí)現(xiàn)在地面信息調(diào)度指揮中心能夠?qū)崟r(shí)采集各設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)和控制采煤機(jī)、支架等主要生產(chǎn)設(shè)備的動(dòng)作，監(jiān)控軟件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

6 結(jié)論

教學(xué)礦井綜采工作面地質(zhì)條件穩(wěn)定，煤層賦存條件較好，適合建立采煤自動(dòng)化系統(tǒng)。教學(xué)礦井設(shè)備改造成熟，信息傳輸系統(tǒng)可靠，軟件接口相互兼容，具備建設(shè)采煤自動(dòng)化系統(tǒng)條件。采煤自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用能提高教學(xué)礦井的安全生產(chǎn)能力和信息自動(dòng)化建設(shè)水平，能為教學(xué)礦井創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

圖4 監(jiān)控軟件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)