綜采工作面綜合智能控制系統(tǒng)的研究

賈輝敏

（大同煤礦集團(tuán)挖金灣虎龍溝煤業(yè)有限公司， 山西 大同 038600）

引言

煤炭生產(chǎn)過(guò)程中，采煤機(jī)實(shí)施的破煤、落煤與裝煤和液壓支架推溜動(dòng)作都會(huì)增加刮板輸送機(jī)的承載負(fù)荷。同時(shí)液壓支架的移架速度會(huì)對(duì)采煤機(jī)截割速度產(chǎn)生限制，泵站的供液能力又對(duì)液壓支架的推移速度產(chǎn)生影響，因此，綜采工作面單機(jī)設(shè)備在發(fā)揮著各自功能的同時(shí)又相互關(guān)聯(lián)、相互影響和相互依存，因此必須使回采工作面單機(jī)設(shè)備相互匹配、協(xié)調(diào)作業(yè)才能實(shí)現(xiàn)回采工作面的安全，高效、智能生產(chǎn)。

1 綜合智能自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及其工作原理

1.1 組成

SAM型綜采工作面綜合智能控制系統(tǒng)是由傳輸、數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)處理、遠(yuǎn)性遙控及視頻監(jiān)視等部件組成。綜采工作面綜合智能控制系統(tǒng)是由綜合接入器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、路由器、隔爆計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程操作臺(tái)，云臺(tái)攝像儀等組成。工作面的“大三機(jī)”通過(guò)破煤、落煤、裝煤和運(yùn)煤等工序完成工作面的產(chǎn)煤過(guò)程。在工作面煤炭生產(chǎn)過(guò)程中，“大三機(jī)”受生產(chǎn)設(shè)備、采煤工藝、地質(zhì)條件等環(huán)境因素的影響，同時(shí)在生產(chǎn)過(guò)程中也作用于各種環(huán)境因素，改變著生產(chǎn)環(huán)境條件，如割煤過(guò)程中會(huì)增加瓦斯?jié)舛鹊取?/p>

1.2 工作原理

SAM型綜采工作面綜合智能控制系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)是由綜合接入器將綜采工作面單機(jī)設(shè)備信號(hào)通過(guò)高速以太網(wǎng)傳送到上順槽的監(jiān)控中心的隔爆計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)的匯集，通過(guò)生產(chǎn)流程、采煤工藝、設(shè)備功能性能將單機(jī)設(shè)備關(guān)聯(lián)起來(lái)，構(gòu)建智能控制模型使綜采工作面控制系統(tǒng)具備學(xué)習(xí)的能力，能夠?qū)崿F(xiàn)工作面設(shè)備與設(shè)備、設(shè)務(wù)與環(huán)境、設(shè)備與采煤工藝的有機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)工作面設(shè)備的綜合皆能控制。

2 SAM型綜采工作面綜合智能控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 以煤流負(fù)荷、空間和環(huán)境參數(shù)為主線的智能控制

依據(jù)刮板輸送機(jī)電流負(fù)荷數(shù)、自動(dòng)調(diào)節(jié)采煤機(jī)割煤速度，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)割煤裝煤和液壓支架推溜裝煤與運(yùn)輸系統(tǒng)能力參數(shù)相匹配與自適應(yīng)控制，實(shí)現(xiàn)以煤流負(fù)荷參數(shù)為主線的智能控制。在液壓支架護(hù)幫板上安裝接近傳感器，以判定液壓支架護(hù)幫板是否收回，以保證工作面設(shè)備在空間場(chǎng)中不會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)以空間參數(shù)為主線的智能控制。在工作面生產(chǎn)過(guò)程中，粉塵、瓦斯、礦壓等影響工作面生產(chǎn)安全的因素在不斷發(fā)生著變化。為了工作面安全生產(chǎn)，工作面生產(chǎn)過(guò)程中必須依據(jù)這些環(huán)境因素的變化來(lái)進(jìn)行設(shè)備的控制。通過(guò)對(duì)工作面瓦期、粉塵、通風(fēng)、頂板壓力、采煤速度等多維度的綜合分析，建立以瓦斯、礦壓為控制主線的模糊控制模型，實(shí)現(xiàn)以安全、高效產(chǎn)煤為主要目標(biāo)的最佳決策控制[1-2]。

2.2 以工作姿態(tài)為主線的智能控制

為使工作面生產(chǎn)過(guò)程中保證工作面的直線度，通過(guò)在液壓支架上安裝找直傳感器，可以實(shí)現(xiàn)工作面液壓支架的實(shí)時(shí)自動(dòng)找直，也可以使用在采煤機(jī)上安裝陀螺儀，自動(dòng)描繪出采煤機(jī)的運(yùn)行軌跡，或是通過(guò)工作面上加裝的攝像儀，在液壓支架或刮板輸送機(jī)上設(shè)定標(biāo)識(shí)，通過(guò)視頻圖像識(shí)別的方式進(jìn)行工作面姿態(tài)智能控制。

2.2.1 精細(xì)化控制

由于液壓系統(tǒng)采用大流量閥控制，以及電磁閥的滯時(shí)因素，電液換向閥動(dòng)作延時(shí)緩沖瓣時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致液壓支架的控制精度下降，這主要體現(xiàn)在液壓支架在推移過(guò)程中，液壓支架與刮板輸送機(jī)之間銷(xiāo)耳間隙對(duì)工作面直線度產(chǎn)生一定的影響，同時(shí)在工作面進(jìn)行調(diào)直時(shí)容易產(chǎn)生過(guò)沖。在進(jìn)行移架、推溜，工作面找直調(diào)整時(shí)采用節(jié)流方式降低推移動(dòng)作速度，以便精確地控制單位時(shí)間內(nèi)推移動(dòng)作的行程，建立高效快速準(zhǔn)確的液壓支架控制伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工作面找直的精細(xì)化控制。

2.2.2 直線度控制

在液支架移架過(guò)程中會(huì)由于上串下滑，支架歪斜，行程傳感器誤差累計(jì)等原因造成連續(xù)多刀割煤后工作面支架不齊，不能夠滿足工作面“三直兩可”的要求。實(shí)現(xiàn)工作面的直線度控制有實(shí)時(shí)在線控制和離線控制兩種方式，其中實(shí)時(shí)在線調(diào)直方式可以采用找直傳感器，通過(guò)橫向測(cè)距，以完成支架移架動(dòng)作后的支架為定位目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)液壓支架的實(shí)時(shí)在線對(duì)位找直。這種方法實(shí)時(shí)性好，不會(huì)有誤差累計(jì)的問(wèn)題。離線的方式是描繪出直線度偏移情況，在事后進(jìn)行調(diào)直補(bǔ)償?shù)姆绞剑梢酝ㄟ^(guò)在采煤機(jī)上安裝慣件導(dǎo)航系統(tǒng)，將采煤機(jī)割煤過(guò)程中的運(yùn)行軌跡描繪出來(lái)，也就是將工作面刮板運(yùn)行姿態(tài)進(jìn)行描繪，然后通過(guò)液壓支架進(jìn)行定量補(bǔ)差控制，從而實(shí)現(xiàn)工作面直線度面控制。

2.3 設(shè)備自適應(yīng)控制

綜采工作面設(shè)備能力的發(fā)揮在很大程度上受運(yùn)行環(huán)境條件的限制。為此，綜合智能控系流將依據(jù)不同的環(huán)境條件，根據(jù)相關(guān)設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)分析，增加自學(xué)習(xí)能力，液壓支力下降等條件下仍然能夠使液壓支架推移控制質(zhì)量達(dá)標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)液壓支架自適應(yīng)智能控制。根據(jù)在同等條件（包括采煤機(jī)速度，泵站供液壓力，頂?shù)装鍡l件）下完成液壓支架推移速度，判斷當(dāng)前的自動(dòng)跟機(jī)移架、推溜質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)，如果發(fā)生偏移將自動(dòng)化修改參數(shù)，直到調(diào)整的參數(shù)能夠滿足要求。

2.4 視頻智能監(jiān)視

2.4.1 工作面視頻系統(tǒng)控制

1）視頻功能。當(dāng)液壓支架實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)跟機(jī)自動(dòng)化控動(dòng)能時(shí)，受到工作面頂?shù)装鍡l件等周?chē)鷱?fù)雜環(huán)境因素的制約，需要進(jìn)行單個(gè)液壓支架的調(diào)整。因此，必須有液上支架移過(guò)中完整的視頻信息，才能實(shí)現(xiàn)無(wú)人化工作面液壓支架的遠(yuǎn)程控制。

2）數(shù)字網(wǎng)絡(luò)高清視頻系統(tǒng)。數(shù)字高清視頻系統(tǒng)，即基于以太網(wǎng)的壓縮高清視頻應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)傳輸結(jié)合攝像儀的IP地址的視頻系統(tǒng)。

2.4.2 視頻系統(tǒng)智能化功能

1）攝像儀智能清洗。通過(guò)圖像識(shí)別模型智能識(shí)別視頻攝像儀污染度，當(dāng)攝像儀鏡頭被污染時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行清洗。

2）目標(biāo)智能追蹤?？梢砸罁?jù)采煤機(jī)位置、移動(dòng)中的液壓支架位置，自動(dòng)調(diào)節(jié)云臺(tái)攝像儀角度，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)視頻追蹤和監(jiān)視。

3）視頻全景拼接。通過(guò)采煤機(jī)視頻信號(hào)可得到具有重合區(qū)城的視頻關(guān)鍵幀，可采用視頻全景拼接技術(shù)得到采煤機(jī)的全景圖像和視頻。一般通過(guò)4個(gè)正像攝像頭圖像拼接出完整的采煤機(jī)，攝像頭之間視野畫(huà)面內(nèi)具備重疊區(qū)域，當(dāng)采煤機(jī)在運(yùn)動(dòng)時(shí)，從四個(gè)攝像頭中同時(shí)得到四個(gè)視頻畫(huà)面，根據(jù)四個(gè)視頻畫(huà)面中的疊區(qū)域進(jìn)行兩兩圖像拼接（即攝像頭1畫(huà)面和攝像頭2畫(huà)面拼接，攝像頭2畫(huà)面和攝像頭3畫(huà)面進(jìn)行拼接，像頭3畫(huà)面和攝像頭4畫(huà)面進(jìn)行拼接，最后統(tǒng)一坐標(biāo)變換，將得到的3個(gè)子拼接結(jié)果圖融合成最終的一個(gè)全景圖），從而得到采煤機(jī)的全景圖像并實(shí)時(shí)顯示。

2.5 自動(dòng)控制與人工干預(yù)相結(jié)合的智能控制

1）數(shù)據(jù)通信。綜合接入器為綜采工作面有線，無(wú)線通信信號(hào)接入傳輸裝置，可以通過(guò)綜合接入器將不同設(shè)備、不同接口的數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)高速傳輸鏈路傳送到上順槽監(jiān)控中心進(jìn)行集中處理。

2）工作面三維虛擬現(xiàn)實(shí)。通過(guò)構(gòu)建綜采工作面和場(chǎng)景的二維模型進(jìn)行渲染形成三維動(dòng)畫(huà)。通過(guò)綜采工作面設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)支撐三維模型的運(yùn)動(dòng)，可以通過(guò)不同的視角觀察工作面設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，觀察設(shè)備之同的相互空間位置關(guān)系。

3）遠(yuǎn)程集控與一鍵啟停智能控制。綜采自動(dòng)化系統(tǒng)受到工作面自然地質(zhì)環(huán)境的影響，建立模型引入三維地理信息系統(tǒng)，精確描繪當(dāng)前的三維采場(chǎng)空間，當(dāng)工作面開(kāi)采和推進(jìn)時(shí)，能夠?qū)崟r(shí)更新三維空間數(shù)據(jù)；采用高精度三維導(dǎo)航技術(shù)，實(shí)時(shí)測(cè)量采煤機(jī)在三維采場(chǎng)空間模型的姿態(tài)和位置，按照記憶截割事先設(shè)定的動(dòng)作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)閉環(huán)運(yùn)動(dòng)和精準(zhǔn)割煤；研發(fā)了安全感知、搖臂調(diào)高、俯仰采和調(diào)偽斜等產(chǎn)品技術(shù)。為解決當(dāng)采場(chǎng)地質(zhì)環(huán)境發(fā)生較大變化時(shí)，現(xiàn)有傳感控制精度不能滿足自動(dòng)化要求的問(wèn)題，創(chuàng)新性地引入了人機(jī)協(xié)同規(guī)避工作面壞境和圍巖的非線性擾動(dòng)，可遠(yuǎn)程進(jìn)行人工實(shí)時(shí)干預(yù)進(jìn)行輔助決策。

3 實(shí)施效果

大同煤礦集團(tuán)挖金灣虎龍溝煤業(yè)15205示范工作面于2017年8—10月安裝了綜采設(shè)備及SAM型采工作面綜合智能控制系統(tǒng)，2017年11月工作面正式投產(chǎn)，完成了工作面設(shè)備安裝，于2018年2月進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)試，2018年3月正式示范應(yīng)用。從實(shí)踐應(yīng)用情況來(lái)看，以上新技術(shù)的應(yīng)用及各先進(jìn)系統(tǒng)的合理銜接，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中獲得了較好的應(yīng)用效果。挖金灣虎龍溝煤業(yè)公司15205大采高工作面通過(guò)傳統(tǒng)方式開(kāi)采每班需要11人，通過(guò)SAM型采工作面綜合智能控制系統(tǒng)的實(shí)施，工作面只需5人，開(kāi)采作業(yè)人員減少了60%，生產(chǎn)效率得到了極大的提高。