無人采煤工作面系統(tǒng)

綜采工作面是現(xiàn)代化煤礦生產(chǎn)的主要環(huán)節(jié)，是煤礦生產(chǎn)中設備最多、環(huán)境最惡劣、工作最復雜的系統(tǒng)，至今一直是各國大力研究的課題。智能化綜采工作面控制系統(tǒng)，實現(xiàn)采煤作業(yè)的自動化控制以及遠程遙控;通過采煤機記憶截割調(diào)節(jié)控制，采煤機、支架電液控制、運輸系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)控制技術，實現(xiàn)設備的就地/集中/遠程三級網(wǎng)絡管理，系統(tǒng)能夠根據(jù)運輸系統(tǒng)負荷的大小，自動調(diào)控采煤機的生產(chǎn)能力;通過無線網(wǎng)絡覆蓋，實現(xiàn)移動設備采煤機在工作面環(huán)境下的可靠通訊，視頻、語音、數(shù)據(jù)三網(wǎng)合一，解決整個作業(yè)面的通訊瓶頸，割煤過程視頻自動跟蹤監(jiān)控;根據(jù)設備之間傳感器的物聯(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)相關設備的姿態(tài)識別，故障提前預警，實現(xiàn)工作面協(xié)調(diào)、安全、可靠的生產(chǎn)。整個項目技術達到國際先進水平。

采用先進的數(shù)字化控制技術，實現(xiàn)工作面綜采自動化是21世紀采礦工業(yè)的研究熱點,能夠提高我國煤炭生產(chǎn)設備的研究設計與生產(chǎn)制造能力。

折疊編輯本段系統(tǒng)組成

如圖所示。整個系統(tǒng)包括以下十個子系統(tǒng)。

1) 地面調(diào)度中心綜采作業(yè)面數(shù)據(jù)監(jiān)控與三維展示子系統(tǒng)

2) 井下順槽設備列車的集控平臺與軟件子系統(tǒng)

3) 有線通訊網(wǎng)絡及無線覆蓋子系統(tǒng)

4) 綜采工作面視頻監(jiān)控子系統(tǒng)

5) 具有遠程測控和姿態(tài)檢測的智能化采煤機

6) 支架姿態(tài)檢測及支架電液控制子系統(tǒng)

7) 刮板、轉(zhuǎn)載、破碎、皮帶運輸連鎖控制與工況檢測子系統(tǒng)

8) 供電設備及數(shù)據(jù)監(jiān)控子系統(tǒng)

9) 泵站控制與數(shù)據(jù)監(jiān)測子系統(tǒng)

10) 刮板機俯仰傾角及曲直變化檢測傳感器子系統(tǒng)

通過建立工作面實時工業(yè)以太網(wǎng)與無線覆蓋網(wǎng)絡，將各個相關設備聯(lián)系在一起，實現(xiàn)與各個裝置的數(shù)據(jù)通訊。在順槽集控中心實現(xiàn)對工作面設備的遠程控制，設備包括:采煤機、支架、刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、破碎機、負荷中心、泵站。對每個設備的工況數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示、報警，遠控。以采煤機位置為坐標，實現(xiàn)對采煤機與支架的視頻跟蹤切換，完成對整個工作面設備的可視化管理。

通過構(gòu)建由井下順槽控制中心、綜采工作面有線/無線全覆蓋網(wǎng)絡、設備遠程控制與語音通訊系統(tǒng)、工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析與診斷預警、工作面設備姿態(tài)檢測系統(tǒng)、轉(zhuǎn)載機、破碎機、泵站以及膠帶輸送機的連鎖控制等組成的自動控制平臺，實現(xiàn)工作面液壓支架、大型采煤機、刮板輸送機的協(xié)調(diào)控制，完成綜采工作面生產(chǎn)過程自動化控制功能，提高生產(chǎn)效率;并對主要生產(chǎn)設備工況的實時在線監(jiān)測、及時發(fā)現(xiàn)故障隱患，提高設備開機率;將采集到的數(shù)據(jù)通過煤礦的高速信息網(wǎng)絡傳輸?shù)降孛娴恼{(diào)度中心，在地面調(diào)度中心設置存儲服務器，對相關數(shù)據(jù)進行存儲、顯示和分析，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與遠程管理。

折疊主要研制內(nèi)容

智能化綜采工作面集控平臺主要包括:井下順槽控制中心與地面操作平臺;采煤機、支架、刮板輸送機聯(lián)動控制裝置及工藝控制軟件 ;綜采工作面的通訊網(wǎng)絡系統(tǒng);工作面視頻圖像監(jiān)控系統(tǒng);相關設備的數(shù)據(jù)通訊規(guī)約及數(shù)據(jù)采集分析軟件，乳化液泵站。

智能化綜采工作面集控平臺，包括采煤機、支架、泵站、刮板輸送機、破碎機、轉(zhuǎn)載機、皮帶輸送機等設備的工作狀態(tài)的監(jiān)測與生產(chǎn)運行自動化集中控制，通過與視頻監(jiān)控技術的結(jié)合，實現(xiàn)上述設備的遠程遙控操作。順槽控制中心采用高性能的防爆計算機和實時數(shù)據(jù)庫采集軟件，組成井下數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，采用綜采工作面專用控制裝置，實現(xiàn)相關設備的控制。設計視頻監(jiān)控平臺，實現(xiàn)對整個工作面的可視化圖像監(jiān)控。最終實現(xiàn)在順槽控制中心對整個工作面生產(chǎn)情況與設備工況的實時監(jiān)測，完成對采煤機實現(xiàn)遠程啟停/換向/加減速/調(diào)高/噴霧等操作控制，每個支架動作的遠程控制與成組遠程操作控制，根據(jù)工藝要求實現(xiàn)采煤機與支架電液控制系統(tǒng)的調(diào)協(xié)控制、根據(jù)運輸系統(tǒng)自動調(diào)控采煤機運行、運輸程序閉鎖、保護與報警。分析軟件對歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)進行分析與記錄，還有權限管理功能。實現(xiàn)整個工作面設備的視頻化遠程集中控制，并結(jié)合高速通信技術實現(xiàn)工作與生產(chǎn)信息的網(wǎng)絡化遠程傳輸與人員視頻對話功能;

地面操作平臺與順槽控制中心實現(xiàn)1000兆寬帶數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡，可對工作面設備運行工況與生產(chǎn)情況進行實時觀測，并可在緊急情況下對采煤機、支架、三機、泵站與皮帶進行急停的網(wǎng)絡化遠程干預控制。地面集控中心的計算機對無人綜采工作面的二維或三維模擬仿真，并實現(xiàn)與工作面可視系統(tǒng)的視頻信號結(jié)合，實現(xiàn)模擬場景與現(xiàn)實場景一體化與隨意切換; 如下圖所示:

折疊通訊網(wǎng)路平臺

采用有線網(wǎng)路與無線網(wǎng)路相結(jié)合的通訊技術，采用無線網(wǎng)絡為工作面移動設備數(shù)據(jù)傳輸提供了通道，為工作面自動化的實現(xiàn)起到了關鍵作用。通過該網(wǎng)絡實現(xiàn)采煤機的工作狀態(tài)監(jiān)視與控制和視頻圖像的實時跟蹤。

在煤礦的綜采自動化控制系統(tǒng)中要想實現(xiàn)操作人員離開工作面，實現(xiàn)綜采設備的遠程控制，必須通過有線或無線的通訊方式實現(xiàn)對采煤機的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，采煤機作為一個移動的設備，采用有線通訊的方式。這種通訊方式，由于電纜的折疊與移動，經(jīng)常發(fā)生斷線，維護困難。再加上與動力電纜同纜傳輸，信號干擾嚴重。更好的通訊方式為無線通訊。在本項目中，實現(xiàn)整個工作面的無線覆蓋，實現(xiàn)與采煤機的數(shù)據(jù)通訊、視頻傳輸，不僅滿足通訊帶寬的要求，而且避免拖纜中來回折疊產(chǎn)生的光線或電纜折斷的問題，屬于關鍵的技術。

折疊綜采可視化

綜采工作面可視化無線監(jiān)控系統(tǒng)是專業(yè)為煤礦綜采工作面量身打造的集視頻監(jiān)控、網(wǎng)絡傳輸、無線手機通訊為一體的井下無線網(wǎng)絡平臺。針對工作面大粉塵、照明差、區(qū)域狹長、設備動作復雜不宜敷設固定線路等特點，為可視化綜采工作面提供最佳解決方案。實現(xiàn)對整個工作面的可視化遠程控制，是整個系統(tǒng)的重要組成部分。

通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)傳送的工作面圖像，操作人員才能根據(jù)煤層變化情況、滾筒截割情況、支架狀態(tài)等信息，必要時對采煤機進行遠程干預，干預操作功能與操作人員跟機作業(yè)時相同，可實現(xiàn)采煤機所有動作的干預。通過遠程干預可以避免在地質(zhì)條件變化或煤層變化時采煤機切割到巖石等情況的發(fā)生。自動跟蹤實時視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對工作面設備安全運行提供了有效的保證。

工作面視頻圖像監(jiān)控系統(tǒng)是實現(xiàn)工作面可視化的重要組成部分，將視頻數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡和有線網(wǎng)絡相結(jié)合的通訊方式傳輸?shù)焦ぷ髅婕仄脚_，實現(xiàn)圖像自動跟著采煤機移動功能，采煤機運行到什么地方，對應位置的視頻圖像實現(xiàn)切換。實現(xiàn)對采煤機的隨機監(jiān)控。針對工作面煤塵大，采用氣體保護技術實現(xiàn)對鏡面的專利保護技術。使操作司機通過視頻畫面隨時了解現(xiàn)場情況。通過智能化綜采工作面集控平臺實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的遠程干預。

折疊實時控制系統(tǒng)

1) 采煤機與支架電液控制系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)控制技術

該技術將采煤機的自動記憶截割和支架根據(jù)采煤機位置自動追機拉架和實時視頻跟蹤看成一個整體的控制工藝，實現(xiàn)整體協(xié)調(diào)、安全保護與可視化控制。

智能化綜采工作面集控平臺可以根據(jù)采煤工藝的要求，設定不同的工作模式，實現(xiàn)支架、采煤機與刮板輸送機等設備的協(xié)調(diào)聯(lián)動控制。通過仿真還原采煤機的工作姿態(tài)和支架的工作姿態(tài)，計算各設備時間的相對位置關系，預測各個設備之間的運行軌跡，實現(xiàn)不同設備間聯(lián)動閉鎖;實現(xiàn)采煤機的記憶截割功能，結(jié)合采煤工藝，完成支架與采煤機的跟機作業(yè)，斜切進刀、調(diào)斜等功能要求，將整個工作面聯(lián)系成一個有機的整體。

按照定位與導航技術控制采煤機自動割煤，控制支架根據(jù)采煤機位置實現(xiàn)自動追機拉架。實現(xiàn)工藝要求的斜切進刀、端頭掃底煤等各種工藝的遠程協(xié)調(diào)控制，對于綜采工作面采煤機的自動截割技術以及支架電液控制技術，均是獨立的控制系統(tǒng)，還未實現(xiàn)工作面整套綜采裝置的整體協(xié)調(diào)控制。將工作面整套裝置作為一個控制的整體，對采煤機自動記憶截割和電液控制系統(tǒng)的拉架、推溜、打護幫板、收護幫板以及間架噴霧等隨機聯(lián)動控制。采用嵌入式防爆計算機與采煤機和電液控制系統(tǒng)通訊，通過程序智能化控制軟件進行綜采設備整體與整個作業(yè)流程的自動控制、適應、保護、調(diào)整和修復。同時，采用視頻實時跟蹤技術，實現(xiàn)工作面設備可視化遠程自動操控。

2) 根據(jù)運輸系統(tǒng)的負荷大小，自動調(diào)控采煤機的生產(chǎn)能力

主要通過采煤工藝智能化控制系統(tǒng)來實現(xiàn)，采煤機采煤速度與刮板機運輸系統(tǒng)存在負荷匹配關系，采煤機與支架移架速度也存在相互協(xié)調(diào)配合的問題。通過采煤工藝智能化的協(xié)調(diào)控制，使工作面整體系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)，實現(xiàn)工作面協(xié)調(diào)、安全、可靠的生產(chǎn)。以運輸系統(tǒng)的負荷參數(shù)控制采煤速度，實現(xiàn)設備之間的均衡作業(yè);通過調(diào)節(jié)采煤機截割高度和運行速度。

工作面運輸系統(tǒng)與采煤機僅有起停上的邏輯連鎖，沒有負荷上的調(diào)節(jié)配合，經(jīng)常出現(xiàn)設備過載停機，采煤速度的調(diào)控靠人員進行調(diào)節(jié)。本項目中，我們將設備負荷的自動調(diào)節(jié)，納入整個采煤工藝智能化控制系統(tǒng)中。當刮板輸送機承載狀態(tài)發(fā)生變化時或刮板輸送機過載時，采煤機將自動改變割煤速度、深度來調(diào)整生產(chǎn)能力。即根據(jù)運輸系統(tǒng)的負荷變化，自動調(diào)控采煤機的牽引速度，調(diào)整生產(chǎn)能力。

3) 遠程人工干預與記憶截割相結(jié)合的采煤機控制技術

由于綜采工作面地質(zhì)條件和環(huán)境極為復雜，因此采煤機在不同的位置采高控制不是固定的，需要根據(jù)頂板巖層的變化而變化。其牽引速度也是根據(jù)負荷而變化。因此，采煤機需要通過人為操作一個循環(huán)割煤周期自學習一遍。在遠程遙控時，采煤機將根據(jù)學習時的記憶數(shù)據(jù)進行割煤。但是如果工作面情況與學習記憶數(shù)據(jù)極端不一致時，需要人為手動干預，這時，需要清晰的視頻圖像作為干預控制的基礎。綜采工作面工況復雜，靠傳感器不能檢測到所有的現(xiàn)場情況，采用攝像機觀察工作面的情況是不可缺少的監(jiān)控手段，與傳感器相互配合，是操作司機能夠遠程操作的重要依據(jù)，是人目視范圍的延伸，因此，可視化與記憶截割相結(jié)合，才能實現(xiàn)真正的遠程遙控。但由于工作面煤塵較大，影響攝像機視頻圖像的清晰度，對此，我們專門對前端攝像機采取了氣體防塵的專利技術研究。對網(wǎng)絡通訊采用無線傳輸技術。通過軟件實現(xiàn)采煤機遠程可視化控制。

折疊系統(tǒng)實現(xiàn)目標

1) 通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對安裝傳感器無法完成的設備狀態(tài)進行可視化監(jiān)視，實現(xiàn)工作面的可視化管理。

2) 通過建立有線、無線通訊網(wǎng)絡，實現(xiàn)與各相關設備數(shù)據(jù)的采集與遠程控制。

3) 通過采集刮板機的傾角和順槽的標高，建立數(shù)據(jù)庫存儲相關數(shù)據(jù)，反應整個工作面的地形情況和煤層走向?？刂撇擅簷C的臥底量，避免刮板機垂直彎曲度大于3度，實現(xiàn)刮板機與順槽的平滑過渡。

4) 通過采集兩節(jié)刮板機的夾角，反應刮板機是否在一條直線及彎曲段的位置，將此數(shù)據(jù)發(fā)給支架電液控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)推移油缸步距，最終實現(xiàn)工作面的調(diào)直。

5) 通過采集采煤機的位置信號，作為整個記憶切割和追機拉架的坐標，實現(xiàn)端頭的精確定位，免避采煤機超出行程割斷電纜，并實現(xiàn)視頻圖像的跟機切換。

6) 采集采煤機機身和搖臂傾角，計算出采煤機的采高和臥底量，控制采煤機的運行。

7) 通過采集采煤機的振動、聲音和負荷，給操作司機提供采煤機是否割到巖石的判斷信息。

8) 通過采集采煤機的電流和速度，實現(xiàn)采煤機速度的閉環(huán)控制，調(diào)節(jié)不同位置的牽引速度，并結(jié)合運輸系統(tǒng)的負荷大小，控制采煤量。

9) 通過采集電液控制系統(tǒng)前護邦、伸縮梁是否收回的判斷信號，與采煤機控制相配合，避免出現(xiàn)與支架的干涉與碰撞。

10) 通過采集電液控制系統(tǒng)支架頂板的傾角，調(diào)節(jié)頂板支護情況，使頂板盡量平直接頂，避免出現(xiàn)支架的"翹架"，并與左右領架比較，對出現(xiàn)異常情況進行報警。

11) 通過采集支架間人員定位，給操作司機遠程控制提供信息，避免出現(xiàn)安全隱患。

12) 通過采集支架的立柱和前護邦的壓力，判斷支架是否支護到位，當壓力小于初撐力時，系統(tǒng)進行自動補壓預緊。并將相關壓力數(shù)據(jù)上傳調(diào)度中心，實現(xiàn)綜采工作面礦壓監(jiān)測。

13) 采集支架推移油缸的行程，通過行程判斷支架是否拉架到位，與采煤機的位置和速度相比較，如果拉架滯后超過設定范圍，調(diào)節(jié)采煤機的速度，使采煤機位置和拉架在設定范圍之內(nèi)。

14) 根據(jù)采煤工藝，建立控制流程，控制采煤機、支架和刮板機按設定的流程和步驟進行運行。

15) 采集刮板機、破碎機、轉(zhuǎn)載機的溫度信號，當溫度到達設置的預警值時提前報警。當溫度超過了停機設定值，急停設備。

16) 采集采煤機、刮板機、破碎機和轉(zhuǎn)載機的水流量和壓力值，實現(xiàn)提前預警，當超過設置的停機值時，急停設備。

17) 采集采煤機、刮板機、破碎機、轉(zhuǎn)載機、自移機尾和皮帶的開停機信號，實現(xiàn)設備的聯(lián)鎖啟停。

18) 采集設備的開關量報警信號，顯示報警。當收到報警停機信號時，聯(lián)鎖停機。

19) 采集設備的電流、電壓和功率，判斷設備的運行負荷，過載保護停機。

20) 采集采煤機、刮板機、破碎機、轉(zhuǎn)載機、自移機尾和泵站的油溫和油位信號，顯示報警，當收到報警停機信號時，聯(lián)鎖停機。

21) 采集采煤機軸承振動傳感器報警信號，顯示報警。當收到報警停機信號時，聯(lián)鎖停機。

22) 將工作面的相關數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛?，實現(xiàn)在地面進行數(shù)據(jù)的存儲并通過計算機網(wǎng)絡實現(xiàn)共享，達到生產(chǎn)管理信息化。

折疊結(jié)束語

無人值守的煤礦綜采工作面自動化控制，是21世紀采礦工業(yè)的研究熱點,能夠提高我國煤炭生產(chǎn)設備的研究設計與生產(chǎn)制造能力。