綜采工作面協(xié)同控制系統(tǒng)應用研究

樊斌

（華亭煤業(yè)集團公司 陳家溝煤礦，甘肅 華亭 744100）

0 引 言

煤礦綜采工作面回采任務主要由采煤機、運輸機、液壓支架完成。傳統(tǒng)回采操作工藝上，“三機”的操作均根據(jù)回采過程進行獨立跟進控制[1]，因此，回采過程中需“三機”操作人員相互配合，配合方式多為喊話、擴音通話、聲光信號等方式，在井下嘈雜的環(huán)境中，該類配合效率低下且存在一定安全隱患。隨著煤礦智能化工作面的不斷發(fā)展及在全國各大煤田推進，智能化工作面建設已成為當下大型煤礦的必經(jīng)之路?；诖?，針對“綜采三機”的智能化聯(lián)動，提出協(xié)調(diào)集成控制方案，通過優(yōu)化通信網(wǎng)絡及控制流程，以提高“三機”的綜合效能，最終實現(xiàn)減員提效及安全生產(chǎn)的目的。

1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的總體設計

1.1 各設備協(xié)調(diào)控制的關(guān)聯(lián)及要求

在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)作用下，采煤機行走方向及位置，決定液壓支架的跟進動作及推溜順序，采煤機牽引截割速度與自身截割能力、支架移架及推溜速度、運輸機的運載能力相關(guān)，并主要以運輸機的運載能力為基準，其牽引截割速度計算見式（1）。

式中：Vc為采煤機牽引截割速度，m/s；Qm為運輸機的運載能力，t/h；Kg為運輸機不均衡狀態(tài)下的下降系數(shù)，通常為1.1；m 為工作面采高，m；S為采煤機截割深度，m；γ 為煤體容重，m3/t；C 為工作面回采率，通常取0.95。

在采煤機行進過程中，液壓支架通過檢測采煤機位置及行進方向，按照相應順序及跟進速度，執(zhí)行支架的掩護、降架、移架及升架動作，其追機速度應大于采煤機的牽引速度，以保證生產(chǎn)連續(xù)性。同時，因采煤機的牽引截割速度與運輸機的運載能力正相關(guān)，需隨時監(jiān)測運輸機的負載情況，確保電機載荷處于額定負載下運行。

1.2 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的功能及總體設計方案

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的主要功能：①利用系統(tǒng)程序控制設備的順序啟停，即工作面采煤機、液壓支架、運輸機及其配套設備均按系統(tǒng)設定的順序啟停，利用遠程操控系統(tǒng)實現(xiàn)所有設備的一鍵啟停；②“三機”設備的自適應控制，即系統(tǒng)通過監(jiān)測運輸機的負載參數(shù)控制采煤機的牽引截割速度，根據(jù)采煤機的牽引速度及位置，控制液壓支架的自動跟機，通過“三機”的自適應控制，實現(xiàn)工作面安全、有序、高效生產(chǎn)；③遠程監(jiān)測控制功能，即通過控制系統(tǒng)可遠程實時查看采煤機位置及電機功率、電流等信息，以及液壓支架的立柱壓力、移架動作，運輸機負載電流等信息，通過監(jiān)視設備狀態(tài)以便于實施遠程調(diào)控。

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)可分為地面監(jiān)控層、巷道控制層及終端設備層3 個層次，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。地面監(jiān)控層主要通過地面監(jiān)控機實施遠程監(jiān)控，并負責設備數(shù)據(jù)整理及遠程操控指令的下達等。巷道控制層主要負責通過協(xié)調(diào)控制器對各設備參數(shù)的采集及計算分析，并向各設備發(fā)送操控指令，以實現(xiàn)對各設備的聯(lián)動控制。終端設備層即采煤機、液壓支架及運輸機的各類控制機與傳感器，主要負責設備工作參數(shù)的采集、傳輸，以及接收上位機指令后的動作控制。

圖1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of coordinated control system

2 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)工作原理

2.1 采煤機協(xié)調(diào)控制

根據(jù)原有液壓支架編號確定采煤機的位置信息，將紅外發(fā)射器安裝在采煤機和各個液壓支架上，采煤機在截割過程中，液壓支架通過接收信號確定采煤機位置。結(jié)合工作面現(xiàn)場坡度、煤厚及頂板條件，采取不同的施工工藝。將各工藝進行編號，調(diào)整采煤機。當前工藝段施工完成后，采煤機停運確認下一工藝段內(nèi)容，調(diào)整截割部位置后繼續(xù)施工。采煤機協(xié)調(diào)控制如圖2 所示，協(xié)調(diào)控制器及采煤機控制系統(tǒng)通過接收相關(guān)參數(shù)，完成左右牽引、停止等自適應控制。

圖2 采煤機協(xié)調(diào)控制Fig.2 Coordinated control of shearer

2.2 液壓支架協(xié)調(diào)控制

液壓支架獲得采煤機位置及工藝信號后，傳送至集中控制器進行整合，之后由控制器向支架發(fā)送命令，由支架完成動作命令。支架控制系統(tǒng)設備及功能見表1。

表1 支架控制系統(tǒng)設備及功能Table 1 Equipment and function of support control system

2.3 通信技術(shù)

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)由諸多設備組成，通信網(wǎng)絡復雜。通過采用井下及地面2 種通信形式，有效管控了“三機”設備。

（1） 井下通信。采用RS485 交叉、串口通信，協(xié)調(diào)控制器與前后部運輸機、支架及采煤機等系統(tǒng)通信，為各設備及其現(xiàn)場數(shù)據(jù)的整合、傳送、下達控制命令的通信。

（2） 地面通信。地面與井下通信通過TCP/IP工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議并網(wǎng)，利用網(wǎng)絡交換機進行信息傳遞，實現(xiàn)地面命令傳至協(xié)調(diào)控制器。

3 硬件設備及系統(tǒng)軟件流程

3.1 傳感器與控制器

紅外傳感器由發(fā)射裝置及接收裝置組成。將紅外傳感器安裝在采煤機上，用以確定采煤機位置。選用GUH5 紅外接收/發(fā)射器，采用DC12V 電壓，接收及發(fā)射有效長度為3.5 m。

運輸機電流傳感器選用GLD300 感應式傳感器，工作頻率為500 ～1 200 Hz，測量誤差≤0.3%FS[3-4]。

系統(tǒng)控制器選型型號為S7-300 可編程控制器，具體型號為CPU317-2PN/DP，采用PS307 模塊電源，具備解析運算功能，并有較好的擴展基礎，管控“三機”之間的智能化控制與網(wǎng)絡通信，執(zhí)行上級動作命令，解析運算采集的數(shù)據(jù)。

3.2 系統(tǒng)主程序

對設備運行采用模塊化設計，基于組織塊OB1，編寫PLC 主程序[4-5]，系統(tǒng)主程序如圖3 所示。主程序開始，首先發(fā)出設備啟動命令，進入開啟、停止順序控制程序，確認牽引閉鎖后，控制系統(tǒng)通過接收相關(guān)參數(shù)，完成采煤機左右牽引、停止等自動控制、左右牽引等自適應控制及液壓支架跟機等動作。完成以上程序后，再次進入開啟、停止順序控制程序，主程序結(jié)束。

圖3 系統(tǒng)主程序示意Fig.3 The main program of the system

4 結(jié) 論

（1） 通過應用協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，優(yōu)化通信網(wǎng)絡，采煤機完成自動控制及自適應控制，液壓支架完成自動跟進，實現(xiàn)遠程操控“三機”設備的順序啟停、自適應控制及遠程監(jiān)測控制，“三機”設備達到協(xié)調(diào)聯(lián)動及智能化運行，實現(xiàn)工作面安全、有序、高效生產(chǎn)。

（2） 與傳統(tǒng)采煤“三機”操作工藝相比，每班減少操作人員3 名，每年節(jié)約勞務費約98 萬元；每年增加產(chǎn)量9 萬t，增加銷售收入4 950 萬元，實現(xiàn)了減員提效的目的。