基于高速工業以太環網的綜采工作面自動化監控系統的研究

【摘要】本文將工業以太環網運用于煤礦井下綜采工作面，實現綜采工作面有線、無線網絡的全覆蓋，擴展RS485、CAN等標準接口，實現綜采工作面內設備、系統就近接入，工作面監測、控制、視頻、音頻等信號的共網共纜傳輸，利用集中監控中心對設備進行集中監控和協調控制，為后續的無人工作面的發展奠定了基礎。

【關鍵詞】工業以太環網；綜采工作面；自動化；監控系統

1.引言

我國是煤炭生產和消費大國，截止2012年底，全國煤炭保有資源查明儲量達1萬億噸，2012年全國煤炭年產量已超過38億噸。據不完全統計，目前全國煤礦約1.2萬個，70%以上是中、薄煤層，大部分礦井采用綜采方式進行開采。隨著煤礦企業招工難，用工成本不斷提高，政策對職業病防治要求不斷提高，煤礦提出了安全增效、減人提效的采礦思路，而綜采工作面是煤礦生產的關鍵場所，如何解決綜采工作面自動化問題越來越迫切，特別是薄煤層綜采工作面，由于環境條件差、空間狹小、工人勞動強度大、安全性差等因素，各大集團公司都寄希望于工作面自動化監控系統，利用自動化系統對設備進行遠程監控，提高工作面安全與生產效率，降低工人勞動強度。

2.綜采工作面自動化發展現狀

實現少人、無人的自動化采礦是當前國際采礦界研究的熱點。美國和澳大利亞的煤炭企業在這方面走在前面，20世紀80年代以來，他們在工作面采用了計算機（技術）、大功率電牽引采煤機、電液控制的液壓支架和具有軟啟動（變頻）功能刮板輸送機，實現了工作面三機（液壓支架、采煤機、刮板機）的自動化及井下環境安全信息實時監測。90年代開始，加拿大、芬蘭、瑞典分別制定了礦山自動化方案，20世紀90年代初，加拿大國際鎳公司（Inco）開始研究遙控采礦技術；1992年，芬蘭采礦工業宣布智能采礦技術方案；瑞典制定向礦山自動化進軍的“Grountecknik 2000戰略計劃”。在各種政策的指引下，經過二十多年的開發與應用，技術已基本成熟，形成了以比賽洛斯DBT和JOY為代表的監控與設備配套銷售的企業和以Marco、Tifenbach、EEP為代表的專業控制系統提供商，各公司分別在2004年前后推出了升級換代產品，在性能、可靠性和自動化水平上又上了一個新臺階，并不斷拓展相關配套產品和系統，組成自動化工作面監控系統，實現對工作面所有設備的監測監控，最終實現工作面的少人化開采，逐步向無人化開采方式邁進。

國內上世紀九十年代，煤科總院太原分院、鄭煤機、北煤機分別自主開發出的電液控制系統，但受當時的技術水平和煤炭行業狀況限制，未能推廣應用；從2004年開始，隨著神華支架國產化帶動大量采用電液控制，天地科技與德國瑪珂合資成立了天地瑪珂電液控制系統有限公司，引進了液壓支架電液控制系統，并逐步實現了國產化，在國內得到了大量的使用和驗證，性能可靠。隨后國內涌現了一批電液控制企業，比如四川航天、鄭煤機、三一重裝、北煤機和平陽機械廠等，目前北京天地瑪珂電液控制系統有限公司和四川神坤的產品已在煤礦井下廣泛應用，性能可靠。

3.需求分析

（1）煤礦生產需要

綜采工作面是煤礦生產的源頭，隨著電子技術、通訊技術和計算機技術的不斷提高，國家政策的長期引導，我國的綜采設備得到了較大的發展，比如電牽引采煤機，大采高液壓支架，長距離大運量的刮板機、膠帶機已經大量使用于現場，各種單機自動化系統有了一定的發展。綜采工作面設備較多，都集中在兩三百米的工作面范圍內，而各種設備的控制工藝、控制方法不同，設備需配置一定的操作工進行監測、控制和檢修，浪費了人力資源，并且設備檢測不實時，設備信息不共享，容易導致故障和事故，因此現場需要一套工作面自動化監控系統，對工作面這些設備集中監測、控制，實現減員增效。

（2）國家政策引導

根據國家能源科技“十二五”規劃，已將基于數字礦山基礎信息平臺，礦山輔助運輸控制技術，礦井安全生產信息綜合自動化監控技術，煤巖界面自動識別技術，基于三維定位的工作面水平控制及遠程控制技術，工作面高可靠、高速、實時控制通訊網絡系統及寬帶多媒體平臺，智能化開采生產過程控制軟件，基于傳感網絡的礦壓實時在線監測技術為研發方向的礦井數字化、工作面自動化技術，煤炭高效自動化采掘成套裝備等列入規劃；同樣，在煤炭工業“十二五”規劃中明確提出，將“支持煤礦無人工作面開采技術研發”，“提高煤礦裝備現代化、系統自動化、管理信息化水平”，推進千萬噸級綜采成套裝備、薄煤層機械化開采裝備、短壁綜采裝備、礦井信息網絡自動化系統等煤礦重大裝備國產化。國家的政策引導，煤礦企業將投入大量的資金工作面自動化系統，對市場具有較大的引導和促進作用。

（3）技術發展需要

從煤礦自動化技術發展趨勢看，全礦井高速信息網絡已經基本建成，形成了礦井信息高速公路，而實現礦井自動化的關鍵是各末端的設備、子系統，而工作面是礦井生產的核心部位，是礦井自動化建設投入的下一個主要目標。隨著采煤自動化程度的提高，為了提高工作面產量和效益，降低生產成本，選用可靠性高、故障率低、管理操作方便、性能優良的電氣設備是各煤炭企業實現高產高效安全生產的必然選擇。隨著人員數量的減少，各種監測信息不斷提高，對傳輸信道數量和帶寬提出了更高要求，真正實現高產、高效、高可靠、高安全的新一代自動化自動化系統，實現了一礦一井一面的集約化生產。

4.設計方案

綜采工作面自動化監控系統架構如圖1、2所示，系統整體上分為三層架構，即地面調度與管理層、監控層和設備層。地面調度與管理層融入全礦井綜合自動化系統，實現礦井的集中監控和信息發布；監控層由多臺礦用隔爆兼本安型監控主機、控制臺等設備組合成集中監控中心，放于順槽設備列車上，對整個工作面及順槽設備進行遠程、集中監控；設備層主要實現綜采工作面采、裝、運、支護及供電等設備的監測與控制。系統在工作面內部建立一條以工業以太環網為基礎的高速信息網絡，擴展各種通用接口，結合無線wifi設備的運用，實現工作面有線、無線網絡信號的全覆蓋，而工作面各種監控設備就近接入網絡，實現工作面監測、控制、視頻、音頻等信號的共網共纜傳輸，由集中控制中心整體協調工作面采、裝、運、供電相關設備的安全、有序、高效運轉。

5.結論

通過與多個集團、礦務局溝通，整體認為此方案切實可行，可以在提高信息傳輸通道帶寬的同時，減少工作面內部布線數量，降低系統維護難度，并且將工作面的各種信息集中到一個集中監控中心，由集中監控中心對整個工作面人員、設備進行統一協調，解決了綜采工作面設備多、信息共享難的問題，將信息上傳礦井自動化系統，實現了綜采工作面信息與礦井信息的有機融合，為后續的綜采工作面無人化和礦井的自動化奠定基礎。

參考文獻

[1]王國法.煤礦液壓支架技術[M].煤炭工業出版社.

[2]劉建功，吳淼.中國現代采煤機械[M].煤炭工業出版社.

[3]張守祥，范紅霞.綜采工作面自動化監控網絡[M].煤炭工業出版社.

[4]倪興華，苗素軍，楊永杰.綜放工作面端頭及順槽超前液壓支架支護技術[M].煤炭工業出版社.

[5]董冠軍.煤礦井下無人工作面的發展前景[J].山西煤炭，2011，31（9）.

[6]尹衛兵，都勤勤.煤礦井下綜采工作面自動化控制系統的設計與應用[J].科技情報開發與經濟，2011，21（29）.

[7]王學東.煤礦信息化、自動化的高產高效工作面建設[J].科技創新導報，2011（08）.

[8]王冬梅.綜采工作面成套設備自動化的通訊系統設計[J].科學之友，2011，12.

作者簡介：謝兵（1978—），男，四川宜賓人，大學本科，工程師，現供職于中國煤炭科工集團常州研究院有限公司，主要從事于煤礦自動控制技術與產品研究。