正利煤礦綜采工作面全系統(tǒng)智能化控制的實現(xiàn)

劉鳳偉，任文永，李繼忠，張永康，張耀明，王宏偉，閆孝姮

（1．山西焦煤集團 嵐縣正利煤業(yè)有限公司，山西 呂梁035200；2．太原理工大學(xué) 科學(xué)技術(shù)研究院，山西 太原030024；3．遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島125105）

我國傳統(tǒng)煤炭開采的主要方式為綜合機械化采煤，由采煤工人對每個設(shè)備進行單獨手動控制，單純依靠大量人工手動操作難以滿足開采要求，存在著效率低、人員數(shù)量及安全等問題[1-4]。所以國內(nèi)煤炭企業(yè)越來越關(guān)注生產(chǎn)自動化，自動化工作面的應(yīng)用保證了煤炭開采質(zhì)量，降低工人勞動強度，提高生產(chǎn)效率[5-7]，但我國煤礦工作面自動化控制技術(shù)剛剛起步，目前僅在單機設(shè)備上實現(xiàn)自動化功能，并不能形成完整的系統(tǒng)[8-10]。鑒于此，提出了綜采工作面全系統(tǒng)智能化控制方案。

1 控制系統(tǒng)的功能實現(xiàn)

綜采工作面智能化控制系統(tǒng)主要由集控中心及各個子系統(tǒng)組成。主要實現(xiàn)綜采系統(tǒng)“一鍵”啟停，采煤機記憶割煤，液壓支架自動跟機；并實現(xiàn)采煤機、刮板運輸機、轉(zhuǎn)載機、破碎機、液壓支架、泵站等綜采設(shè)備的巷道集中控制和巷道、地面的集中監(jiān)測。

1）集控中心。工作面巷道監(jiān)控中心是整個自動化工作面的核心，包括：集控臺、視頻主機、日志主機、數(shù)據(jù)處理主機（客戶端、采煤機、刮板機、轉(zhuǎn)載機、破碎機、帶式輸送機、泵站、供電系統(tǒng)等的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）、綜合接入器、交換機等系統(tǒng)組成。主要實現(xiàn)對采煤機工況監(jiān)測與遠(yuǎn)程自動控制、對液壓支架工況監(jiān)測與遠(yuǎn)程自動控制、對運輸設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與集中自動化控制、對泵站系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與集中自動化控制以及對采煤機、刮板機頭、刮板機尾、轉(zhuǎn)載點視頻實時監(jiān)視等功能。

2）采煤機子系統(tǒng)。采煤機系統(tǒng)由采煤機、電控系統(tǒng)、慣導(dǎo)系統(tǒng)、無線WIFI 系統(tǒng)等組成，實現(xiàn)采煤機的記憶割煤，以及根據(jù)采煤工藝，實現(xiàn)三角區(qū)的自動化割煤，采煤機的位置可以通過D 型齒輪傳感器和支架紅外位置進行修正，精確定位，該子系統(tǒng)安裝了慣導(dǎo)組件的自導(dǎo)系統(tǒng)，對采煤機行走路徑進行監(jiān)測，配合液壓支架分步精細(xì)推拉管理系統(tǒng)，實現(xiàn)刮板輸送機調(diào)直管理。

3）電液控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由主閥、支架控制器、傳感器、隔爆兼本安型直流電源、電源耦合器、架間耦合器、驅(qū)動器、紅外接收器、紅外發(fā)射器、高壓過濾站、回液過濾站、巷道監(jiān)控計算機及相應(yīng)的電纜組成。實現(xiàn)單臺支架的“降、移、升”自動控制及成組自動移架、成組自動推刮板輸送機刮板、成組自動伸護幫、成組自動收護幫、成組自動噴霧、成組自動收伸縮梁、成組自動伸伸縮梁。對立柱的工作壓力、推移千斤頂?shù)男谐獭⒚簷C的位置、方向進行監(jiān)測，在井下電液控制主機上能夠?qū)ι鲜鲂畔⑦M行顯示和存儲，能將數(shù)據(jù)傳輸至地面分控中心并顯示。

4）三機、帶式輸送機運輸及電力系統(tǒng)。該系統(tǒng)由三機（刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、破碎機）和運輸巷帶式輸送機、運輸上山輸送帶、590 輸送帶、沿線電話、組合開關(guān)、控制器等組成。實現(xiàn)對三機（刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、破碎機）和運輸巷帶式輸送機、運輸上山輸送帶、590 輸送帶的運行狀態(tài)監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制功能，可以對電力組合開關(guān)的3 300 V 和1 140 V系統(tǒng)的各個供電回路的遠(yuǎn)程分合閘、狀態(tài)監(jiān)測、故障報警等進行監(jiān)控，監(jiān)測的狀態(tài)有各個回路的電壓、電流、功率，故障保護有過壓、欠壓、短路、過載、斷相、溫度、漏電等。

5）視頻監(jiān)控系統(tǒng)。視頻由采面視頻和巷道視頻組成，對綜采工作面的工作情況實時監(jiān)控，在轉(zhuǎn)載機與刮板運輸機轉(zhuǎn)載點、運輸巷帶式輸送機溜煤眼、破碎機工作點、泵站、組合開關(guān)等處安裝了攝像機進行固定點監(jiān)控，支架上的攝像機采用自動跟機切換的模式，通過采集采煤機的位置信號，自動打開對應(yīng)的支架上的攝像頭，使其保持與采煤機的同步開啟，使操作司機可以看到采煤機的截割滾筒的工作狀態(tài)。

6）供液系統(tǒng)。供液系統(tǒng)由地面乳化液供液系統(tǒng)、井下乳化液泵、乳化液箱、高壓反沖洗過濾站、回液過濾站、傳感器（溫度、液位、流量）等組成。該系統(tǒng)配備了高壓自動反沖洗過濾站和回液過濾站，對乳化液介質(zhì)進行了過濾，清潔，實現(xiàn)對高壓自動反沖洗過濾站的自動、手動、定時、定壓反沖洗控制，當(dāng)壓力嚴(yán)重超限，或不能進行反沖洗，濾芯堵塞嚴(yán)重時，實現(xiàn)泵站的報警停泵控制，該系統(tǒng)還需對乳化液箱的液位、溫度、和干管流量進行實時監(jiān)測以保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

此外，工作面自動控制系統(tǒng)還具有地面調(diào)度子系統(tǒng)，主要由交換機、各客戶端主機、客戶端顯示器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、硬盤錄像機、打印機等設(shè)備組成。該系統(tǒng)采用以太網(wǎng)實現(xiàn)綜采設(shè)備數(shù)據(jù)上傳，通過礦井自動化網(wǎng)絡(luò),將綜采設(shè)備的數(shù)據(jù)傳到井上，實現(xiàn)地面分控中心對綜采設(shè)備的監(jiān)測、顯示、控制；實現(xiàn)綜采設(shè)備（液壓支架、采煤機、刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、破碎機、負(fù)荷開關(guān)、泵站）數(shù)據(jù)的集成，在地面調(diào)度中心對綜采設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測、顯示；向第三方提供標(biāo)準(zhǔn)的OPC 協(xié)議，便于礦井自動化集成，并監(jiān)控顯示工作面分布在巷道、支架和采煤機的網(wǎng)絡(luò)攝像頭視頻畫面，網(wǎng)絡(luò)攝像頭的視頻數(shù)據(jù)通過工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)降孛嬉曨l服務(wù)器顯示，同時進行視頻管理、查詢、存儲等。

2 工作面自動控制系統(tǒng)配置及結(jié)構(gòu)

1）集控中心系統(tǒng)。集控中心有6 個客戶終端：上面3 個是視頻，分別顯示動作支架視頻監(jiān)視、轉(zhuǎn)載點視頻監(jiān)視、采煤機及采機周邊視頻監(jiān)視；下面3 個視頻是數(shù)據(jù)監(jiān)測，分別是支架數(shù)據(jù)監(jiān)測、綜合信息監(jiān)測、采煤機數(shù)據(jù)監(jiān)測。6 個客戶終端通過核心交換機和綜合接入器與各個子系統(tǒng)進行連接，進而實現(xiàn)對采煤機工況監(jiān)測與遠(yuǎn)程自動控制、對泵站系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與集中自動化控制等等。

2）采煤機子系統(tǒng)。采煤機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1，主要包括西門子S7-300 主控器、繼電器、電源及按鈕等。I/O 控住主要包括啟停采煤機液壓電機，啟停截割電機，采煤機左牽右牽等；保護監(jiān)測內(nèi)容主要包括系統(tǒng)電壓，左右截割電機電流，左右截割電機溫度，內(nèi)腔溫度，油箱溫度，牽引泵電流，牽引變壓器溫度，油位，調(diào)高泵低壓側(cè)油壓，左右牽引電機溫度，變頻器電流，變頻器溫度，變頻器母線電壓等；控制監(jiān)測內(nèi)容主要包括采煤機位置，采煤機高度，機身搖擺角，機身俯仰角，左右搖臂傾角，變頻器轉(zhuǎn)矩等。另外安裝了慣導(dǎo)組件的自導(dǎo)系統(tǒng)，對采煤機行走路徑進行監(jiān)測，安裝了工作面無線WIFI 通訊系統(tǒng)，電液控支架每隔8～10 架安裝1 臺無線WIFI模塊，之間通過有線連接，通過調(diào)試后，解決了工作面無線WIFI 信號的覆蓋和切換問題。然后將采煤機的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)较锏兰刂行摹?/p>

3）電液控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用ZDYZ-ZA 控制器為液壓支架控制器，是液壓支架電液控制系統(tǒng)的核心控制部分，與電磁先導(dǎo)閥連接，實時輸出控制信號，控制各液壓油缸的伸縮；并與各傳感器相連，采集液壓支架機械結(jié)構(gòu)部分的位姿與狀態(tài)信息。液壓支架上常用的傳感器有壓力傳感器、位移傳感器和紅外接收器等。壓力傳感器可以采集立柱的支撐壓力，在立柱升/降柱時或自動補壓時提供壓力信號。位移傳感器用于測量液壓支架推移位移，但實際應(yīng)用時誤差較大。安裝在液壓支架上的紅外接收器與安裝在采煤機上的紅外發(fā)射器通過紅外信號通信，用于進行采煤機定位。

4）三機、帶式輸送機運輸及電力系統(tǒng)。采用西門子S7-1200 系列PLC 為控制器，利用CM1241 作為通信模塊與電力組合開關(guān)的3 300 V 和1 140 V系統(tǒng)進行通信連接，進而對三機和運輸巷帶式輸送機、運輸上山輸送帶、590 輸送帶的運行狀態(tài)進行監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制。

5）視頻監(jiān)控系統(tǒng)。通過電液控支架隔架安裝1臺正對煤壁的攝像儀和每隔6 臺電液控支架安裝的橫向攝像儀，對綜采工作面的工作情況實時監(jiān)控。集控中心顯示視頻的3 個顯示頻，最左邊顯示帶式輸送機的視頻監(jiān)控信息，中間顯示工作面橫向固定視頻信息，最右邊顯示采煤機位置的視頻信息共4個橫向攝像頭（可隨采煤機位置自動切換）。采面視頻和巷道視頻是通過以太網(wǎng)級聯(lián)進入綜合接入器。

6）供液系統(tǒng)。供液系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1，采用西門子S7-1200 系列PLC 作為控制器，通過CM1241 RS485 通信模塊與綜合接入器連接，利用綜合接入器中的RS485 轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊與核心交換機和集控中心連接，實現(xiàn)操作人員可通過集中控制系統(tǒng)的操作臺對各泵站進行啟?？刂?。通過液位傳感器與溫度傳感器、流量傳感器與壓力測量裝置分別對乳化液箱的液位、溫度與干管的流量、壓力進行了實時監(jiān)測，經(jīng)過隔離模塊再將信號輸入PLC。輸出部分PLC 經(jīng)繼電器輸出模塊對電磁閥進行控制，來實現(xiàn)泵站的自動控制。

3 系統(tǒng)軟件

三機系統(tǒng)控制流程圖如圖2，三機子系統(tǒng)主要實現(xiàn)對工作面刮板運輸機、破碎機以及轉(zhuǎn)載機等負(fù)載設(shè)備進行邏輯啟?？刂埔约捌渌▓缶?、急停、參數(shù)采集等信息處理，其中實現(xiàn)設(shè)備邏輯控制是最重要工作，可以分為設(shè)備的集控、單控和點控，集控是對所有設(shè)備進行集中控制，在綜合客戶端上對應(yīng)2 個啟停按鈕：集中啟動、集中停止；單控是對每臺設(shè)備單獨控制，每臺設(shè)備對應(yīng)1 個啟停按鈕，可以對設(shè)備進行獨立啟動和停止；點動是當(dāng)啟動按鈕按下時設(shè)備啟動，當(dāng)放開時設(shè)備停止，它一般是用在設(shè)備維修時，特點是啟停時間間隔很短。

圖1 供液系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 三機系統(tǒng)控制流程圖

供液系統(tǒng)控制流程圖圖略，在供液系統(tǒng)中乳化液泵站采用單泵控制方式，即單獨對每一臺泵進行一鍵啟?？刂?。系統(tǒng)首先檢測乳化液箱的液位，乳化液濃度和壓力，當(dāng)檢測到的值符合系統(tǒng)要求時，即可在綜合客戶端上對循環(huán)泵進行啟動。

基于遠(yuǎn)程干預(yù)的采煤機記憶截割控制流程如圖3，共分為3 個階段：人工學(xué)習(xí)、自動截割與遠(yuǎn)程干預(yù)修正。首先由操作人員對采煤機參數(shù)進行修正檢查，如果需要學(xué)習(xí)示范刀，則進行示范刀的學(xué)習(xí)。如果以前已經(jīng)學(xué)習(xí)完成，則直接選擇進行自動截割模式。在整個自動截割過程中，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控攝像頭實時監(jiān)控采煤機采高變化情況以及實際的每層變化情況。如果需要更改跟蹤頂?shù)装迩€，則進行遠(yuǎn)程干預(yù)，由采煤機重新覆蓋跟蹤曲線。

圖3 采機系統(tǒng)控制流程圖

4 監(jiān)控界面

利用WINCC 豐富的圖形界面功能，完成系統(tǒng)所需畫面的繪制。自動化網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控畫面主要包括：

1）綜合客戶端。主界面實時監(jiān)控轉(zhuǎn)載機、破碎機、刮板運輸機、乳化泵站、帶式輸送機的起停狀態(tài)；能單機對上述設(shè)備進行啟?？刂啤？刂撇僮鲿r通過系統(tǒng)管理，輸入用戶名和對應(yīng)權(quán)限密碼登錄后進行控制操作。操作完成后需注銷用戶，避免誤操作。系統(tǒng)導(dǎo)航條一直顯示在畫面頂部，分為綜合主界面、組合開關(guān)3300、組合開關(guān)1140、超前支架、趨勢查詢、報表查詢、故障查詢、系統(tǒng)管理。用戶可以通過點擊各系統(tǒng)的圖標(biāo)進行對應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)瀏覽。

2）支架客戶端。支架客戶端可對工作面支架的狀態(tài)信息進行實時監(jiān)測，實時監(jiān)測支架立柱的前柱壓力、后柱壓力、推溜行程、慣導(dǎo)信號、護幫壓力、護幫狀態(tài)，以柱狀圖的形式顯示；并實時監(jiān)測支架動作信息（噴霧、護幫動作、推溜、拉架、升柱、降柱）、故障信息、閉鎖、急停信息等。用戶可以根據(jù)圖形描繪的信息判斷工作面是否存在故障等信息。當(dāng)支架電液控操作鍵盤打到“跟機”檔位時，工作面沒有急停閉鎖的情況下，通訊狀態(tài)一欄將顯示黃色。

5 結(jié) 語

采用了由計算機、傳感器、自動控制以及故障診斷等多種技術(shù)組成的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了正利煤業(yè)14-1104 綜采工作面的全系統(tǒng)智能化控制。①對集控中心、采煤機系統(tǒng)、電液控制系統(tǒng)、三機系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)和供液系統(tǒng)的組成及控制功能進行分析。②對綜采工作面的各個系統(tǒng)配置及控制方案進行設(shè)計。③對整個智能化控制的監(jiān)控界面進行開發(fā)與設(shè)計，實現(xiàn)了對井下全系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控。