工作面運輸設備協調控制關鍵技術研究

【摘要】闡述了煤礦工作面采煤機、刮板輸送機、轉載機、破碎機和順槽皮帶協調控制的必要性和實現方法，重點研究了順序啟停、聯鎖控制、智能調速、故障預診斷和專家系統等關鍵技術，這些技術在煤礦工作面自動化領域具有創新性。

【關鍵詞】工作面；運輸設備；協調控制；預診斷；專家系統

1.引言

隨著自動化技術的發展以及人們對煤礦生產安全的重視，自動化工作面系統得到了更多的關注。自動化工作面系統是指以工作面無人化為目的，綜合信息采集技術、協調控制技術、通信互聯技術、人機交互技術和專家策略的一種綜合自動化系統。無人化工作面是是煤礦工作面的發展趨勢[1]，是保證煤礦工人安全的最本根解決方案。自動化工作面系統中，各個運輸設備的協調控制技術是保證系統順暢運行、安全高效的一項重要技術。

工作面運輸設備包括采煤機、刮板輸送機、轉載機、破碎機和順槽皮帶[2]，這些設備之間本身存在聯鎖關系，互為啟動和停止條件[3]，這是協調控制的第一個因素，也是基本因素，關系安全。

協調控制的第二個因素在于節能高效，運輸設備的耗電量大，如果沒有出煤的時候空轉，是對能源的一種浪費，而如果出煤量多的時候快速運轉又會對運輸設備造成損壞，因此根據出煤量智能調節運輸設備的功率及運轉速率是必要的。協調控制的第三個因素是故障預診斷，根據運輸系統中每個設備的數據，進行分析，對可能出現故障的點做出預診斷。

2.協調控制的必要性

（1）各設備之間啟停存在聯鎖關系，需要協調控制。

工作面煤流的順序是從采煤機到刮板輸送機，再到轉載機，經過破碎機破碎后，再到順槽皮帶。破碎機一般跨在轉載機上安裝，用于將采煤機割下的大煤塊破碎。對于控制系統而言，各運輸設備按逆煤流順序啟動，順煤流順序停止。

（2）運輸設備耗電量大，需要根據出煤量智能控制各設備啟停和運輸速度，以起到節能的作用。

由于煤層的地質構造不同、采煤機的運行狀態不同，每個時刻的出煤量是不同的，如果各運輸設備按照相同的轉速運行，勢必會造成出煤量小的時候功率浪費，出煤量大的時候功率不足、損壞設備。因此，按照出煤量實時調節各運輸設備的運行速度對于工作面的安全高效運行是必要的。

（3）工作面運輸設備的故障會嚴重影響煤礦出煤，需要故障預診斷功能。

目前的工作面自動控制系統主要是對故障進行檢測[4]，當故障已經發生的時候才能檢測到，控制系統根據故障類型采取相應的措施，但故障已經發生，設備已經損壞，對工作面出煤的影響已經造成。因此，故障預診斷對于防止故障發生、防止設備損壞是必要的。

3.主要研究內容

3.1 預期目標

預期目標就是根據協調控制的必要性實現相應的內容。

（1）基本功能：實現各運輸設備間的順序啟停和聯鎖控制。這是最基本的功能，是保證安全生產、不發生重大事故和故障的基本條件。

（2）根據出煤量的多少，采用耦合器調速或變頻調速實現刮板輸送機、轉載機和順槽皮帶的智能調速和啟停。高低速驅動、耦合器調速和變頻調速是工作面中常用的驅動方式，在這幾種驅動方式的基礎上，結合采煤機出煤量的多少進行調速，可最大限度的節約電能、防止故障。

（3）統計分析各運輸設備的運行狀況，建立系統運行專家系統，根據歷史運行數據對系統中各設備可能會出現的故障做出預診斷。預診斷就是根據歷史推知未來，用專家策略對系統運行的歷史數據進行分析，對有可能出現故障的點做出預告，以便及時檢修，防范于未然。

3.2 研究內容

（1）從系統方面講，研制一套工作面運輸設備協調控制系統，主要功能包括：語音通訊、數據通信、設備間閉鎖啟停、設備間功率協調等，除功率協調控制功能外，其他功能與現有的工作面通訊控制系統的功能兼容。

（2）從產品方面講，研制的產品包括：系統控制主機、多功能數據終端（語音通訊、急停閉鎖、信號檢測、邏輯處理）、驅動設備專用控制器、系統專用電纜、無線通信終端、PDA手持巡檢儀等。控制主機是系統的數據中樞和控制策略核心，數據分析和協調控制均在控制主機實現。多功能數據終端向下兼容原有系統的功能。驅動設備專用控制器實現調速型液力偶合器和變頻器的分布式控制，有利于減輕控制主機負擔、提高系統的穩定性。由于工作面工礦復雜，環境惡劣，普通電纜無法滿足要求，因此需要設計工作面控制系統專用電纜。專用電纜需要滿足防護性好、數據傳輸性能好、耐壓性好等要求。無線通信終端用于實現工作面的無線信號覆蓋，無線信號穩定覆蓋整個工作面是無人化工作面的基礎，是減少現場走線、節約系統成本的必要措施。PDA手持巡檢儀用于設備的檢修和巡檢，當系統發生故障或發出故障預警需要人工干預的時候，PDA手持巡檢儀將發揮重要作用。

（3）從軟件（策略）方面講，要進行以節能、安全為目的的各運輸設備間的協調控制策略研究。策略研究需要專家系統，根據專家的經驗和建議形成若干算法，以供計算機系統實現相應的功能。

（4）從安全角度講，要研究以系統歷史數據為依據的設備故障預診斷機制。故障預診斷是比故障檢測更高一級的安全策略，數據挖掘、數據分析和數據對比是其中的關鍵技術。

3.3 研究成果

（1）研制1套工作面運輸設備協調控制系統，建成1個協調控制系統示范基地，滿足各種煤層工作面的協調控制需求。

（2）建立以節能和安全為目標的運輸設備協調控制策略，實現各設備輸出功率和運行速率的智能調整。

（3）建立以系統歷史數據庫為依據的專家系統，實現設備故障的預診斷。

4.創新點

（1）在工作面運輸設備控制系統中引入協調控制策略，協調控制有迫切需求，而現有工作面通訊控制系統大多缺失此項功能。

（2）實現刮板輸送機、轉載機和順槽皮帶的智能調速，智能調速包括兩種：軟啟動和過程調速，軟啟動可以減少設備本身的損壞和對電網的沖擊；過程調速是指在出煤過程中根據出煤量對運輸設備進行調速，以起到節能降耗的目的。

（3）有線無線混傳技術保證控制系統的靈活可靠通信，無線覆蓋工作面是目前的一個難點，必須確保整個工作面無線通信的可靠性。

（4）研制本安型工作面手持巡檢儀，以適應智能型工作面的巡檢工作，對于少人或無人工作面，正常工作或檢修巡檢也是必要的，手持巡檢儀適用面更廣，應用更加靈活，功能更豐富。

（5）建立控制系統歷史數據庫及專家系統，根據設備間的聯鎖關系及控制策略，對可能出現的故障點做出預診斷，故障出現以后的檢測可以起到安全的作用，但終究會影響生產，故障的預診斷可以提前預防，為檢修提供依據。

5.結語

對工作面各運輸設備進行協調控制是必要的，也是目前大部分工作面通訊控制系統缺失的一項功能。協調控制的關鍵技術包括順序啟停、聯鎖控制、智能調速、故障預診斷、專家系統等，是工作面安全運行、節能降耗的重要保證。協調控制系統擁有多項創新，具有良好的市場推廣前景。

參考文獻

[1]王榮華，張燕斌.PLC技術在礦山機電控制中應用研究[J].現代商貿工業，2011（6）：246-247.

[2]雷志鵬，宋建成.綜采工作面輸送設備工況實時監測及故障診斷系統的設計[J].工礦自動化，2010（7）：1-5.

[3]畢可仁，孫錫春，邢金成.PLC在煤礦生產中的應用[J].煤礦機械，2006（7）：188.

[4]席慶祥，雷志鵬.綜采面刮板輸送機狀態監測及故障診斷系統設計[J].煤炭科學技術，2011（10）：72-76.

作者簡介：孔維社（1982—），男，山東寧陽人，碩士，工程師，主要從事煤礦自動控制方面的研究工作。