煤矿工作面自动化控制系统探讨

煤矿工作面自动化控制系统探讨

摘要：我国综采工作面自动化的研究己经有十多年的历史，但总的来说，综采工作面自动化的设备零散组合多，整体成套系统少，因此系统可靠性有待提高。本文介绍工作面综采自动化控制系统的配套应用，以实现工作面少人化、无人化开采为目标。系统依托贯穿工作面、顺槽的工业以太网通信系统及无线网络通信平台，实现以综采设备自动化控制为核心，人员就地巡视干预为辅助，顺槽、地面远程集中监控为支撑的自动化控制模式。

关键词：综采工作面；自动化；成套设备；远程监控

1概述

我国煤矿有综采工作面3000多个，其中配备高端自动化装备的工作面有450个，仅占综采工作面总数的15%。而发达国家已达到100%，基本开始了综采工作面从5人采煤向2人采煤再向无人化采煤的过渡[1，2]。例如：平均日产1.07万吨，采高2.05米的OakyCreek煤矿；平均日产近2万吨，采高3-3.2米的嘉能可(Glencore)公司布尔加井工矿（BulgaUnderground）；日产最高4.5万吨，采高4.5-4.8米，最高月产100万吨的Anglo公司莫兰巴北矿等。这些煤矿已发展到工作面班长1人，操作工3人，巡视工1人的5人开采模式[3]。国内也有二十多个矿区进行过综采工作面自动化的探索与尝试[3，4]，典型的有神东榆家梁、黄陵矿等。这些探索很大程序上促进了我国综采设备的发展。如液压支架可以实现跟随采煤机的位置和方向自动完成降-移-升、推溜、喷雾等动作，采煤机能够实现记忆割煤，运输设备能够实现变频启停和煤流监控调速等技术。但总的来说，综采工作面自动化的整体配套设备还有欠缺，系统可靠性还有待提高。本文以红柳煤矿I040301综采工作面为例，介绍工作面综采自动化控制系统的配套及可靠容错机制。综采自动化以工作面少人化、无人化开采为目标，依托贯穿工作面、顺槽的工业以太网通信系统及无线网络通信平台，实现以综采设备自动化控制为核心，人员就地巡视干预为辅助，顺槽、地面远程集中监控为支撑的自动化控制模式[5]。

2煤矿工作面综合自动化系统配套

2.1系统配套组成

红柳煤矿I040301自动化工作面采用北京天地玛珂公司综采自动化成套系统SAM，以液压支架电液控系统SAC为基础，采煤机绝对定位系统LASC为核心，智能集成供液系统SAP、工作面视频监控系统SAV、采煤机控制系统SAS、顺槽三机集成控制系统SAT、顺槽胶带输送机集成控制系统SAB、集成供电系统、工作面工业以太网通讯、顺槽监控中心、工作面语音通信、工作面控制模块等12子系统为辅助，实现可视化远程干预型智能化采煤技术。具有在地面调度中心对综采工作面设备（采煤机、液压支架、运输机、转载机、破碎机、皮带机系统）的监测功能、“一键”启停控制和远程干预操控功能；具有在顺槽控制中心对综采工作面设备的监测及集中控制功能；具有对工作面综采设备的数据集成、处理、故障诊断、管理等功能；具有工作面工业以太网，实现数据的高速传输；具有工作面视频系统，实现对主要综采设备的实时监控；实现双向全截深与双向半截深采煤工艺的自动化跟机模式；具有工作面自动找直功能；具有单机故障其他设备不受影响的容错机制。

2.2系统配套原理及结构

2.2.1工作面自动化a.SAC结构组成及原理每台支架安装一台16功能电磁主阀和控制器，控制器之间通过4C线连接（CAN总线通讯协议）可实现邻架、成组、顺序操作。右立柱安装压力传感器（测量值0-60MPa），推移千斤安装形成传感器（测量值0-960mm），在左立柱安装红外接收器（采煤机定位）实现跟随采煤机跟机自动操作，每10台支架安装一组（两个）倾角传感器（测量值-30。~30。），机头安装一个信号转换器和网络变换器，负责将CAN总线通讯转换为RS422通讯，将数据传输至监控中心网络交换机。同时监控中心将操作的指令通过CAN总线通讯传输至支架，实现数据交互和远程操作。系统通过读取LASC惯性导航生成的工作面曲线实现工作面自动找直功能。b.LASC2.0结构组成（LongWallAutomationSteeringCommitte）LASC是一套数据采集处理系统，安装INS惯性导航系统（实现精确定位，姿态检测）、摇臂安装角度传感器、SPMS采煤机位置测量系统等可实现采煤机精确定位、采高测量、煤机速度测量、机身姿态检测、工作面直线度测量等。辅助以工作面煤层模型，可实现采煤机保持工作面平直（防上窜下滑）、采煤机自动调高控制（适应起伏变化）、保持采煤机在煤层及3D可视化虚拟现实等功能。c.SAV结构组成及原理每6台支架安装一台云台摄像仪（可实现180°旋转）和综合接入器，综合接入器之间通过4N线连接（TCP/IP通讯协议）、每12台支架安装一台WI-FI基站与综合接入器通过4NS线连接（2.4G无线通信）,每3台支架安装一台照明灯，工作面机头机尾个安装一台光电转换器，负责将TCP/IP通讯转换为光缆通讯，将视频数据传输至监控中心光电转换器后接入数据交换机。d.SAS结构组成及原理采煤机安装一台WI-FI基站（2.4G无线通信），负责LASC系统与工作面WI-FI环网进行数据交互，采煤机电缆通过载波通讯与顺槽载波通讯模块进行数据交换，负责将采煤机工况传输至顺槽网络交换机，同时监控中心将远控操作的指令通过载波通讯传输至煤机，实现数据交互。通过记忆采煤机LASC绝对位置、摇臂摆角、速度等数据，实现采煤机记忆割煤。2.2.2顺槽监控自动化a.监控中心结构组成及原理安装有6台主机6台显示器（支架主界面、采煤机主界面、综合控制主界面、支架视频、煤壁视频、跟机视频），1台支架远程操作台（与支架主机通过RS232通讯），1台采煤机远程操作台（与采煤机主机通过RS232通讯），3台数据交换机，将工作面和顺槽数据进行集合处理，处理完毕的数据经过工作面模型控制计算后发出指令，通过CAN总线通讯和载波通信传输至支架和采煤机（顺槽-采场）。经过处理的数据通过一台路由交换机及光电转化器实现顺槽与井下以太网的通讯，从而与地面实现数据交互（顺槽-地面）。b.SAP结构组成及原理每台泵站安装1台综合接线器，整套系统安装1台泵站主机、1台操作台（与泵站主机通过RS232通讯）、1台PLC控制器（PLC接入组合开关先导回路），可实现远程和就地控制，泵站和泵箱安装压力传感器、液位传感器、流量传感器、浓度传感器、电流传感器油位传感器、温度传感器等，综合接线器将传感器数据采集传输PLC控制器，PLC将数据传输至泵站主机，集控主机分析处理，通过3180通讯将数据传输至综合接入器，综合接入器接入监控中心的网络交换机实现数据采集交互。2.2.3地面监控自动化地面调度室安装1台服务器、2台工作站（1台支架主机、1台采煤机主机）、3台监视器、1台网络交换机、1台支架远程操作台（与支架主机通过RS232通讯）、1台采煤机远程操作台（与采煤机主机通过RS232通讯），井下数据通过以工业太网通讯接入网络交换机后连接服务器，经过服务器分析处理接入地面工作站，可实现地面调度对工作面设备的检测功和远程启停控制及远程干预操作功能。

3系统实现的主要功能

3.1综采工作面自动化系统主要实现的功能

采煤机以记忆割煤为主，人工干预为辅，其过程如图2所示；液压支架以跟随采煤机自动动作为主，人工干预为辅；综采运输设备实现集中自动化控制；依据LASC系统实现对工作面直线度状态监测，并在支架跟机自动控制过程中实现自动找直，其找直的电液控制参数设置及效果分别如图3(a)和图3(b)所示；依托全工作面视频实时监控；实现集视频、语音、远程集中控制为一体的综采工作面自动化系统，实现综采工作面自动化控制系统，实现工作面采煤机、刮板运输机和液压支架等设备的联动控制和关联闭锁等功能。利用压力、流量、行程、负荷、视频等各种传感器实现综采工作面工况、设备状态等信息的感知，为自动化系统的判断提供依据。系统实现的主要自控功能为：具有双向全截深采煤工艺的自动化跟机模式，采煤机记忆割煤，工作面液压支架跟机移架、推溜、护帮板和伸缩梁的联动。具有对工作面综采设备的数据集成、处理、故障诊断、管理等功能。具有LASC采煤机绝对定位轨迹记录，工作面自动找直功能。具有在地面调度中心对井下设备（采煤机、液压支架、运输机、转载机、破碎机系统）的“一键”启停控制和远程干预操控功能。具有在地面调度中心对综采工作面设备的监测功能。具有在顺槽控制中心对综采工作面设备的监测及集中控制功能;具有泵站系统设备工况监测及控制功能。具有对采煤机工况监测与远程控制功能。具有工作面工业以太网，实现数据的高速传输。具有工作面视频系统，实现对主要综采设备的实时监控。具有井上下数据传输功能。具有对液压支架工况监测与远程控制功能。具有对工作面运输设备运行状态监测及控制功能。当综采工作面自动化控制系统出现故障时，各子系统不受综采自动化系统控制，以保证在检修和自动化控制系统出现故障时，各子系统能单独开车，确保生产不受影响。

3.2实施过程中发现的一些问题

通过项目实施，也发现了一些问题，主要表现如下：（1）自动化生产过程中煤岩识变功能是下一步突破的重点，虽联系厂家进行了进一步的尝试，但因摄像头安装位置、采高、大块煤砸等，取得的效果不明显；（2）自动化割煤是在采煤机学习正常循环结束后，利用记忆割煤功能实现的自动化割煤，在采场条件发生变化的情况下（如小构造、褶曲、仰俯采变化较大的情况），采煤机自动化适应能力差，无法准确及时的调整采煤机姿态。（3）随着工作面的推进高差出现变化，工作面斜长也随着变化，届时需要通过调整支架架型及采场伪斜来控制刮板输送机位置（既调整刮板输送机的上窜下滑），自动化设备的无法满足这种情况的开采。（4）工作面片帮煤於堵出现大块煤翻出电缆槽现象，人工操作拉架时，会将抬底千斤行程全部伸完后在进行拉架，这样有效防止底槽电缆被挤故障，而自动化拉架未能实现该功能。（5）人工在拉架结束升架时，根据工作面采场条件一般会将平衡千斤动作将顶梁上仰1°左右，这样既能保证顶梁接顶严实，又能防止伪顶脱落而造成空顶，而自动化拉架未能实现该功能。（6）工作面在周期来压期间会出现局部片帮现象，人工割煤时会采取超前移架或带压擦顶移架及时支护顶板，而自动化拉架未能实现该功能。（7）支架无人员识别功能，人员在架间作业时也会自动操作，存在安全隐患；（8）液压支架因本架滤芯堵塞更换不及时而出现的动作慢，导致部分动作不到位，且动作慢等现象。（9）程序稳定性差，跟机过程中部分支架未能完成规定动作。（10）自动割煤拉架后，支架中心距调整状态不准确，存在“甩头”现象。（11）采煤机断电后，原学习记忆有关数据无法保存，需重新学习。

4结论

尽管综采工作面自动化的研究己经有十多年的历史，但总的来说，综采工作面自动化系统可靠性尚有待提高。本文以红柳煤矿I040301综采工作面为例，实现集视频、语音、远程集中控制为一体的综采工作面自动化系统，实现工作面采煤机、刮板运输机和液压支架等设备的联动控制、自动找直和关联闭锁等功能。同时也揭示出了综采工作面自动化系统中仍需要下功夫进行研究的一些问题。

参考文献

[1]赵宇星.浅谈综采自动化及发展趋势[J].中国新产品新技术,2014,16.

[2]黄曾华,综采工作面自动化控制技术的应用现状与发展趋势[J].工矿自动化,2013，39(10):17，21.

[3]董冠军,煤矿井下无人工作面的发展前景[J].山西煤炭,2011，9.

[4]贺海涛,综采工作面自动化在神东矿区的实践[J].陕西煤炭,2009(2):51-52.

[5]神华宁煤集团红柳煤矿综采二队,I040301综采工作面采煤作业规程,2017,6.

作者：杨长俊 李伟 单位：国家能源集团宁煤集团红柳煤矿