智能化采煤工作面采煤機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李春華 孫 曉 寧 權(quán)

（陜西長(zhǎng)武亭南煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 咸陽 713600）

煤礦綜采工作面的無人化是實(shí)現(xiàn)煤礦高產(chǎn)高效安全開采的基礎(chǔ)，主要是指綜采工作面實(shí)施智能化控制功能，實(shí)現(xiàn)了工作面無人操作開采。主要技術(shù)特征有采煤機(jī)智能控制，采煤機(jī)可以自己定位，計(jì)劃軌跡，碰見煤矸石自動(dòng)躲避，基于產(chǎn)量要求和機(jī)器負(fù)荷調(diào)整速度等；通過智能感知和視頻監(jiān)控系統(tǒng)傳送的工作面圖像，人工遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)干預(yù)，只需要極少數(shù)的人現(xiàn)場(chǎng)巡視檢查，人身安全得到了極大的保障。采煤機(jī)是整個(gè)無人化開采系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，記憶截割技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能化、無人化開采的必備條件[1]。

亭南煤業(yè)智能化采煤工作面原采煤機(jī)進(jìn)行自動(dòng)記憶截割作業(yè)時(shí)存在需要人工干預(yù)、數(shù)據(jù)采集不準(zhǔn)確、無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控等問題，針對(duì)性設(shè)計(jì)了用于采煤機(jī)自動(dòng)記憶割煤的監(jiān)控系統(tǒng)[2]，并將該自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于亭南煤業(yè)2408 工作面進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，效果理想。

1 工程概況

1.1 概況

亭南煤業(yè)礦井位于陜西省咸陽市長(zhǎng)武縣城東20 km 處的亭口鎮(zhèn)亭南村附近，井田面積35.5 km2，地質(zhì)儲(chǔ)量39 883 萬t，可采儲(chǔ)量18 429 萬t，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力450 萬t/a，服務(wù)年限30.7 a。該礦目前開采侏羅系4 號(hào)煤層，埋深401.32～788.60 m，一般500～700 m，煤層厚度1.00～23.24 m，煤層平均厚度11.05 m，煤層傾角為2°～7°，煤層平均傾角為5°。礦井布置有主立井、副立井、進(jìn)風(fēng)立井和回風(fēng)立井，采用中央分列式通風(fēng)方式，抽出式通風(fēng)方法，即主立井、副立井、進(jìn)風(fēng)立井進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)立井回風(fēng)[3]。

亭南煤業(yè)井下回采工作面采用ZF8600/24/45 四柱低位放頂煤液壓支架，采用MG500/1200-AWD交流電牽引采煤機(jī)，采用SGZ880/800 型前后刮板輸送機(jī)，整體采煤機(jī)械化程度為100%[4]。

1.2 自動(dòng)記憶截割應(yīng)用中的問題分析

亭南煤業(yè)在原智能化工作面智能化采煤作業(yè)中采用了自動(dòng)記憶截割技術(shù)，采煤機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集工作面采高、傾角、俯仰角、速度、方向等信息，并以5 cm 為間隔做即時(shí)映射，生成截割曲線模型。從智能化工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐情況來講，這種傳統(tǒng)自動(dòng)記憶截割技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的全自動(dòng)化截煤，采煤機(jī)自動(dòng)記憶截割運(yùn)行期間，大部分時(shí)間內(nèi)仍然需要進(jìn)行人工干預(yù)，如工作面出現(xiàn)條件變化，依靠無盲區(qū)視頻監(jiān)控，人工干預(yù)調(diào)整截割高度并修正曲線模型[5]。另外原自動(dòng)記憶截割技術(shù)中所求采煤機(jī)自身各參數(shù)信息沒有辦法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，如工況發(fā)生大的變化則會(huì)導(dǎo)致采煤機(jī)發(fā)生故障，采煤機(jī)停機(jī)檢修影響設(shè)備的自動(dòng)化程度[6]。

針對(duì)亭南煤業(yè)采煤機(jī)自動(dòng)記憶截割技術(shù)中存在需要人工干預(yù)、數(shù)據(jù)采集不準(zhǔn)確、無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)化程度落后等問題，設(shè)計(jì)用于采煤機(jī)智能化自動(dòng)記憶割煤監(jiān)控系統(tǒng)，在液壓支架上安裝紅外傳感器，在采煤機(jī)上安裝D 型齒輪傳感器和帶慣性組件的導(dǎo)航系統(tǒng)，可對(duì)采煤機(jī)截煤作業(yè)運(yùn)行期間機(jī)身參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)控，可提高采煤機(jī)記憶截煤精準(zhǔn)程度和降低采煤機(jī)的故障發(fā)生率[7]。

2 自動(dòng)記憶截割原理及記憶策略

2.1 自動(dòng)記憶截割原理

亭南煤業(yè)智能化工作面采煤機(jī)自動(dòng)記憶截割可劃分人工操作截煤示范階段和采煤機(jī)自動(dòng)記憶截割階段。人工操作截煤示范階段：采煤機(jī)在進(jìn)行第一次截煤作業(yè)時(shí)需要人工輔助操作，現(xiàn)場(chǎng)工作人員需要手動(dòng)控制采煤機(jī)完成機(jī)頭→機(jī)尾→機(jī)頭的1 個(gè)循環(huán)截煤，將該循環(huán)截煤期間采煤機(jī)自身運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并儲(chǔ)存；采煤機(jī)自動(dòng)記憶截割階段：以示范階段采煤機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)為依據(jù)，進(jìn)一步調(diào)整采煤機(jī)運(yùn)行姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自動(dòng)化截煤[8]。

新設(shè)計(jì)的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)記憶截割原理如下：采煤機(jī)自動(dòng)記憶截割如圖1 所示，采用自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)在整個(gè)綜采工作面按照等距采集采煤機(jī)截煤一刀煤過程中的運(yùn)行數(shù)據(jù)，當(dāng)采煤機(jī)完成第i刀后將采集到的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。在采煤機(jī)進(jìn)行下一刀（第i+1 刀）時(shí)可根據(jù)上一刀（第i刀）的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采煤機(jī)運(yùn)行姿態(tài)的自動(dòng)調(diào)控。第i+1 刀結(jié)束，在進(jìn)行第i+2 刀作業(yè)時(shí)如作業(yè)工況發(fā)生重大變化，通過自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)自適應(yīng)調(diào)整。將自適應(yīng)調(diào)整后的數(shù)據(jù)做為第i+3刀的截煤依據(jù)[9]。

圖1 自動(dòng)記憶截割示意圖

2.2 記憶截割數(shù)據(jù)信息采集原理

自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)需要對(duì)采煤機(jī)常規(guī)點(diǎn)、特殊點(diǎn)、關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行信息采集，為采煤機(jī)自適應(yīng)調(diào)控提供依據(jù)。采煤機(jī)截割作業(yè)過程當(dāng)中自身工作參數(shù)及自動(dòng)記憶截割數(shù)據(jù)的采集是同時(shí)進(jìn)行的，兩者常規(guī)采樣點(diǎn)均按采煤機(jī)行走等距離定點(diǎn)進(jìn)行。

2.3 自動(dòng)記憶方案策略

采煤機(jī)截割作業(yè)時(shí)采集數(shù)據(jù)較多，系統(tǒng)無法及時(shí)對(duì)采集的所有信息進(jìn)行存儲(chǔ)，為有效實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的自動(dòng)記憶截割作業(yè)，防止關(guān)鍵信息丟失，有必要制定有效的自動(dòng)記憶方案策略，在保證采煤機(jī)正常自動(dòng)記憶截割基礎(chǔ)上盡量?jī)?yōu)化記憶點(diǎn)減少數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間。

記憶方案策略：采煤機(jī)記憶截割作業(yè)過程中，記憶節(jié)點(diǎn)主要有常規(guī)記憶點(diǎn)、關(guān)鍵記憶點(diǎn)和特殊記憶點(diǎn)。對(duì)于常規(guī)記憶點(diǎn)全部采取等距離方案進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)記錄；接收調(diào)整采煤機(jī)工作狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)為關(guān)鍵記憶點(diǎn)，關(guān)鍵記憶點(diǎn)為記憶點(diǎn)的核心組成部分；對(duì)于采煤機(jī)自身出現(xiàn)異常的節(jié)點(diǎn)為特殊記憶點(diǎn)，即采煤機(jī)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整控制時(shí)的節(jié)點(diǎn)。采煤機(jī)記憶截割作業(yè)過程中對(duì)采集數(shù)據(jù)信息數(shù)量和種類進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)常規(guī)記憶點(diǎn)、關(guān)鍵記憶點(diǎn)和特殊記憶點(diǎn)的有效結(jié)合，提高監(jiān)控系統(tǒng)存儲(chǔ)空間的有效利用。

3 采煤機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)

井下工作面工作環(huán)境惡劣，有必要對(duì)采煤機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。第一可以提高采煤機(jī)記憶割煤的自動(dòng)化程度，減少工作人員工作量，實(shí)現(xiàn)無人化和少人化作用；第二可以對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行全面監(jiān)控，最大程度降低采煤機(jī)發(fā)生故障概率，提高采煤機(jī)的工作效率。

采煤機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)：設(shè)計(jì)一種基于記憶割煤方法采煤機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)采煤機(jī)截煤作業(yè)運(yùn)行期間機(jī)身各部分參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)控，提高采煤機(jī)記憶截煤精準(zhǔn)程度和降低采煤機(jī)的故障發(fā)生率。

自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖2，主要有WinCC、Profibus-DP、S7-300PLC、機(jī)身參數(shù)采集模塊、控制參數(shù)采集模塊、CP341 通信模塊、各類傳感器等部件。各類傳感器將采集數(shù)據(jù)信息傳輸給PLC 控制器，信息處理后通過Profibus-DP 現(xiàn)場(chǎng)總線與上位機(jī)完成數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自動(dòng)記憶截割作業(yè)信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)采煤機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障后，自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到后會(huì)進(jìn)行故障報(bào)警，及時(shí)進(jìn)行維修保養(yǎng)處理。該自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的監(jiān)控內(nèi)容主要有油位、變頻器母線電壓、左截割電機(jī)電流、右截割電機(jī)電流、牽引泵電流、變頻器電流、內(nèi)腔溫度、油箱溫度等。

圖2 自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)

4 自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng) PLC 硬件選型和軟件設(shè)計(jì)

4.1 PLC 硬件選型

4.1.1 PLC 選型

該采煤機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)選用SIEMENS S7-300 PLC， CPU 313C-2 PTP，緊湊型CUP 含MPI，16數(shù)字量輸入/16 數(shù)字量輸出，3 個(gè)高速計(jì)數(shù)器（30 kHz），集成接口RS-485，集成24 V DC 電源，128 kB 工作存儲(chǔ)區(qū)。該SIEMENS S7-300 PLC 可適用于惡劣的工作環(huán)境，在煤礦等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)低成本的解決方案。PLC 外端接線如圖3 所示。

圖3 PLC 外端接線示意圖

4.1.2 通信模塊選型

設(shè)計(jì)中選取CP341 通信模塊， 以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，參數(shù)分配點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。CP341 通信模塊設(shè)置有RS-485 集成串行接口，最遠(yuǎn)通信距離可達(dá)1200 m。CP341 通信模塊通過Profibus-DP 實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。

4.2 自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

采煤機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)控制流程如圖4。

圖4 采煤機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)控制流程示意圖

該采煤機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中，應(yīng)用模塊化的設(shè)計(jì)思想，將其設(shè)計(jì)為監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、自適應(yīng)記憶截割、監(jiān)控報(bào)警和人工修正四大部分。

監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集：基于記憶截割的監(jiān)控系統(tǒng)初始化→記憶截割模式與否→人工截割示范→采集機(jī)身與控制參數(shù)→數(shù)據(jù)處理→路徑展開→路徑記憶。自適應(yīng)記憶截割：數(shù)據(jù)記憶→路徑跟蹤→截割狀態(tài)異常與否→自適應(yīng)調(diào)控→數(shù)據(jù)異常與否→路徑變化過大與否→控制輸出。如數(shù)據(jù)異常而會(huì)觸發(fā)故障報(bào)警，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控報(bào)警功能，下一步人工設(shè)置參數(shù)進(jìn)行人工修正處理。

5 實(shí)踐應(yīng)用效果分析

采煤機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，經(jīng)亭南煤業(yè)2408 智能化綜采工作面實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，該自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)截煤作業(yè)運(yùn)行期間機(jī)身各部分參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)情況見表1。

表1 2408 智能化工作面自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)情況

從表1 數(shù)據(jù)可知，亭南煤業(yè)2408 智能化綜采工作面采煤機(jī)在記憶截割作業(yè)過程中，設(shè)計(jì)并應(yīng)用的采煤機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)自身工作參數(shù)及自動(dòng)記憶截割數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)自動(dòng)記憶割煤作業(yè)的智能化。經(jīng)對(duì)比，通過監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)得到的采煤機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)與采煤機(jī)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)一致，設(shè)計(jì)方案合理可行，可應(yīng)用于采煤機(jī)記憶截割作業(yè)。

6 總結(jié)

針對(duì)亭南煤業(yè)智能化采煤工作面原采煤機(jī)進(jìn)行自動(dòng)記憶截割作業(yè)時(shí)存在需要人工干預(yù)、數(shù)據(jù)采集不準(zhǔn)確、無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控等問題，在采煤機(jī)記憶截割的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于SIEMENS S7-300 PLC 控制器為核心的用于采煤機(jī)自動(dòng)記憶割煤的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。該自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)在亭南煤業(yè)2408 工作面進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行期間機(jī)身各部分參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)控。主要表現(xiàn)為以下優(yōu)點(diǎn)：1）降低了采煤機(jī)故障發(fā)生率，提高了采煤機(jī)的工作效率；2）提高了采煤機(jī)記憶截割精準(zhǔn)度，記憶截割的智能化程度大幅度提高，能實(shí)現(xiàn)綜采工作面的無人化開采。