綜采工作面自動化控制系統研究

摘 要：文章對綜采工作面自動化控制系統進行了研究，提出了自動化控制系統的基本原理，系統主要組成及其技術要求，對液壓支架跟自動化及采煤機自動割煤的原理及途徑進行了重點論述。

關鍵詞：綜采工作面；自動化控制；系統研究

引言

我國是世界上煤炭產量最多的國家，煤炭開采歷史悠久，然而由于煤炭所處的環境復雜，地質情況變化多，井下煤塵大、能見度低，導致煤礦生產常常伴隨著事故的發生，嚴重威脅著煤礦工人的生命，造成經濟損失和社會傷害。提高煤炭開采的自動化水平，以現代化設備和控制技術改造傳統生產工藝技術，實現綜采工作面少人乃至無人開采，是實現煤礦安全生產的根本所在，也是提高煤礦功效和經濟效益的關鍵。因此研究綜采工作面自動化控制系統具有十分重要的意義。

1 綜采工作面自動化控制系統的基本原理

綜采工作面自動化控制的基本原理：基于液壓支架電液控制系統的工作面自動化控制途徑，實現煤機采煤過程自動控制、支架跟機自動化、泵站智能供液控制、三機（運輸機、轉載機、破碎機）自動控制、工作面煤機前后視頻圖像以及煤機、支架、三機、泵站和各供電開關等實時參數（包括支架壓力、護幫板情況、煤機各參數、泵站各參數、三機開關狀態、電流等情況），通過各自接口傳輸到PLC主控計算機，經過主控計算機內自動化控制軟件及程序的處理，完成綜采工作面的自動化割煤的全過程控制，并以窗口界面形式顯示出來，同時數據上傳到地面各需要觀察工作面情況的調度中心、領導辦公室、集團調度等地方，實現遠程監測和控制工作面生產情況。

2 綜采工作面自動化控制系統組成

綜采工作面自動化控制技術主要包括：順槽膠帶控制系統；轉載機、破碎機、刮板運輸機“三機”控制系統；工作面供電控制系統；泵站智能化控制系統；液壓支架自動控制系統；采煤機自動控制系統；工作面視頻系統；綜采工作面信息傳輸及自動化控制平臺系統。

3 主要系統的技術要求

3.1 順槽膠帶控制系統

能夠自動、手動、試驗三種方式控制順槽膠帶的啟動、停止，有遠程故障查詢、故障顯示、故障解鎖的功能，有故障性質和地點的報警功能，能夠遠程監控，和搭載設備自動閉鎖，能就地維修控制，皮帶保護齊全有監測、顯示和投、撤功能，檢測皮帶電機的電流、電壓、功率。

3.2 綜采面三機控制系統

能夠實現轉載機、破碎機、刮板運輸機的遠程、就地、檢修控制開停，三機相互之間的閉鎖控制，有急停閉鎖，能實現與順槽皮帶和煤機之間的相互通訊閉鎖，三機的狀態檢測，電機的數據顯示，有設備起停是的預告，有故障報警，整個工作面的通話系統和保護急停等，能夠和整個自動化系統之間有網絡接口，實現通訊和控制。

3.3 工作面供電控制系統

能實現對三機、供液泵站、采煤機的負荷開關及供電變壓器等的狀態、運行參數、故障報警進行監測；能做到對工作面整個供電系統實現遠距離控制；對整個自動化系統進行通訊和控制的網絡接口。

3.4 泵站智能化控制系統

對工作面泵站、過濾系統集中自動化控制，能夠實現泵站智能聯動控制、多級過濾、工作面緊急卸荷、自動補液（水）、乳化液自動配比、系統運行信息檢測與上傳等功能，實現集成供液系統智能自動控制。

3.5 液壓支架自動控制系統的基本功能

（1）電液控制系統、支架控制中心及控制軟件必須先進、可靠，功能齊全，滿足對液壓支架各種動作（成組拉架、成組推溜，單臺支架動作）的控制，跟隨煤機完成自動移架、推溜等，實現跟機自動化的功能，能實現對自身控制系統的故障能夠診斷、顯示和報警，并傳輸到計算機控制中心；（2）能實現支架的遠程和就地操控、閉鎖、急停；（3）應有檢測支架壓力、推移油缸位移量、護幫板狀態、前梁伸縮狀態、平衡油缸狀態、頂梁縱向傾角、支架橫向傾角的各類型傳感器；（4）具有紅外線或者數字等傳輸方式的采煤機位置接收器；（5）有回液壓力傳感器和相應配套的綜采集成供液系統，實現支架乳化液的自動供液、自動清洗功能；（6）有信息傳輸功能和通訊接口，能夠和煤機、運輸機、控制中心實現暢通的數據傳輸、交換和通訊；能夠把支架移架完成狀態、側護板伸出或收回狀態、伸縮前梁狀態以及輸送機推移直線還是曲線的完成狀態等數據不斷傳輸給煤機，以便煤機能夠根據情況進行割煤動作。

3.6 采煤機自動控制系統

（1）能準確檢測自身位置、方向和速度的裝置；（2）能準確檢測搖臂的位置，并控制采高的功能；（3）能準確檢測自身縱向和橫向傾角的裝置；（4）有煤巖的分辨功能，從而控制搖臂的自動調高和降低；（5）能夠對液壓支架的信息進行接收和分析判斷能力；（6）煤機自動控制軟件能對煤機的各種參數進行監測和控制，能夠記憶和存儲示煤機在割范刀時的各種參數，并把示范刀的這些數據作為自動割煤的基礎數據，實現自動化記憶割煤；（7）有信息傳輸功能和通訊接口，能夠和支架、運輸機、控制中心實現暢通的數據傳輸、交換和通訊。

3.7 綜采工作面液壓支架與采煤機聯動作業（跟機自動化）

綜采工作面液壓支架與采煤機聯動作業也叫跟機自動化作業，是指支架跟隨煤機的割煤，支架控制器檢測到煤機的方向和位置信息后，液壓支架會按照支架移動程序，（這些程序是工程師根據不同的采煤工藝，編制支架執行動作程序，并寫入控制器程序中），自動完成相應的動作，包括自動移架、推溜、收開護幫板、自動噴霧等，配合煤機完成自動化割煤全過程。煤機與支架間的通訊、液壓支架的電液控制系統以及控制軟件是跟機自動化能否實現的三大關鍵點。

煤機與支架之間的通訊，目前主要有兩種方式：（1）脈沖信號傳輸方式；（2）紅外線傳輸方式。這兩種方式各有優點但也各有不足之處。脈沖碼傳輸方式不受環境的影響，尤其是井下惡劣的環境對它的影響比較小，但是它對技術要求高，傳遞過程復雜，實際操作起來，產生的問題也較多；而紅外線傳輸方式就比較簡單，技術要求也不高，但是它最大的缺點是受工作面地板變化、煤塵狀況及設備情況等影響大，干擾煤機數據的準確性。

煤機與液壓支架要實現聯動作業，液壓支架必須使用具有自動化控制功能的電液控制系統，并安裝計算機程序的主控制器，在整個工作面形成網絡，每臺支架的信號傳到主控制器，主控制器經過設定的控制程序進行分許、判斷，最后形成指令發給每臺支架，控制支架動作。當支架上的紅外線接收器（或其他方式）接收到煤機的信號后，控制系統檢測出煤機的運行方向和位置，觸發相應的程序，實現支架隨煤機割煤而運動，這樣就實現了煤機與液壓支架的聯動作業。支架聯動作業包括：隨著采煤機的持續割煤，持續不斷的進行收護幫板，成組拉架，打護幫板，推溜，開啟、關閉架間噴霧。

同時，主控制器也把采集來的信號，通過與工作面總控制系統連網、通訊，把工作面支架的各種主要參數、以及位移、推拉量、護幫板開閉情況和采煤機的位置、行走方向等狀態傳輸到地面控制室，再通過可視化軟件平臺、顯示器等實現遠程操作、指揮或瀏覽。

3.8 綜采工作面采煤機

如果我們非常清楚工作面的地質、構造、采煤高度變化、頂底板情況、煤中加矸程度等，沿割煤方向在煤機割煤的不同時間段里，以1秒鐘為一個時間單位，設定好工作面煤機的方向、速度、傾角、搖臂位置、采煤高度等參數在控制程序中，像拍電影一樣，安排好煤機不斷割煤的每時每刻的參數，然后煤機會按照設定的參數情況進行自動化割煤，這樣煤機在程序的控制下根據不同時間不同參數進行割煤，完全沒有人工去操作，實現真正的無人自動割煤工藝。但是由于井下條件復雜、變化多，而且隨著采煤的進行，還不斷的在變化，工作面情況我們無法完全準確的掌握，而且在采煤過程中還有可能遇到一些不可預測的事情，所以目前采取記憶割煤的自動化采煤方式。

3.8.1 記憶割煤

記憶割煤是目前比較先進、智能化的無人操作，煤機自動割煤的一種采煤方式。這種采煤方式的煤機要具有學習功能，每班在實現自動化割煤前，先用學習模式割兩刀煤也叫示范刀，就是煤機司機在工作面先手動采煤一個循環，采煤機記錄并存儲學習的數據，然后根據這些數據（地質情況、采煤高度等）再使用自動化割煤方式進行割煤；同時液壓支架設置為自動方式，液壓支架和煤機聯動作業，即降架、移架、升架、推溜整個過程液壓支架都是隨著采煤機的割煤自動完成跟機過程，中間不再需要人工操作液壓支架。煤機和支架的信號傳遞是由煤機上的紅外線發射器和支架上的接收器來實現的，自動跟機是由控制軟件完成的。

3.8.2 示范刀

示范刀顧名思義就是在正式割煤前的示范割煤，也就是在自動化割煤前，由煤機司機給煤機教怎么割煤的示范過程，煤機司機進行手動割煤，控制系統軟件把煤機的整個過程記憶下來，儲存所有相關的數據，包括每時每刻煤機的割煤速度、左右搖臂的位置、煤機前進方向、橫向傾角、縱向傾角以及煤機的位置等，根據這些數據控制軟件給出自動割煤的程序。這樣煤機在自動割煤時怎么行走，前面有什么情況，怎么合理的降低或者提高滾筒等等，就能按照程序的設置有條不紊的進行，自動割煤就不會是盲割、瞎割，保證割煤質量，工作面質量，確保安全、高效生產。一個完整的示范刀，必須是一個采煤循環，即從工作面一頭開始，一來一回，走過整個工作面，在同一端頭結束。

3.8.3 自動割煤

示范刀結束后，煤機被切換到自動割煤狀態，它將會以示范刀割煤過程中存儲的割煤程序，按照示范時煤機的方向、速度、傾角、位置以及搖臂位置、采煤高度等等，反復重復進行割煤，這些過程包括三角煤割煤的過程。自動割煤過程中，煤機的一切活動都是自動進行，不需要人去干預和指揮的，完全實現了煤機的自動化采煤。

3.8.4 人工干預割煤

因為井下條件不斷變化，難免遇到過構造，割三角煤等比較復雜、特殊的情況，自動割煤有時還需要人工干預。遇到這類情況時在綜采工作面現場配備一名司機跟機作業，根據工作面現場情況及時進行人工干預，如調整煤機的采煤機高度和牽引速度，增加刮板機過載、拖拽電纜卡死保護等措施，以防出現安全事故，提高生產效率；這就要求自動化割煤的程序要靈活可靠，可以隨時退出；人工干預調整后，煤機應能夠記憶這一調整，并對原來學習刀的記憶進行修改；同時，人工干預完成后，應能夠在任意位置進入自動化狀態。

3.8.5 三角煤

由于煤機在端頭割煤，尤其是割三角煤比較復雜，情況變化很多，而自動化割煤的煤機動作是一旦規定好了，中間不能改變，比較死板。所以為了防止在端頭時出現問題，可以選擇自動化關閉，用手工操作切割工作面端頭，等割完端頭的三角煤之后，再選擇激活自動化割煤，進入自動割煤狀態。這樣比較靈活，又避免了端頭三角煤割煤復雜的問題。

3.8.6 遠程干預

全自動化綜采工作面，現場沒有人，可以在順槽設立一個控制室進行遠程干預。當然也可以在地面調度室設置綜采自動化指揮系統進行遠程干預，但是為了應對特殊情況，方便人員及時進行人工干預，所以在順槽設置遠程干預控制室是最好的選擇。在控制室設置主控計算機和顯示裝置，把綜采工作面的全部參數、狀態經過軟件程序以可視化的形式顯示出來，再加上工作面的工業電視系統，生產人員就能夠完全掌握工作面的情況，隨時清楚現場自動化割煤，當遇到特殊情況或者其他情況，能夠及時進行人工干預，使自動化采煤作業安全可靠的進行。

3.9 綜采工作面視頻技術

全自動化綜采工作面，由于煤機和支架的自動運行，不適合人員進入，但是為了清楚工作面的具體開采情況，讓采煤機前后的情況一目了然，就要在工作面安裝工業電視攝像系統，以保證安全操作。攝像系統可采用光纜傳輸，光纜與采煤機拖拽電纜和水管布置在電纜夾內，同時光纜最好安裝在防護良好的水管內，防止光纜損壞。

3.10 綜采工作面信息傳輸及自動化控制平臺系統

工作面信息傳輸采用光纖環網交換機作為核心，主交換機通過不同的通訊接口，實現工作面各設備、系統之間信息、數據的傳輸和相互通訊等；通過自動化控制軟硬件如ROCKWELL集成化網絡結構等組建控制平臺，把低層設備控制層的信息同上層網絡信息層的信息進行交換和管理，把工作面所有設備的狀態、關鍵參數、故障報警等上傳控制中心，并進行集中自動化控制，對設備下達起停、閉鎖等命令，控制三機運行、液壓支架動作、煤機割煤，實現自動化采煤；對工作面所有設備的故障進行監測和報警，對設備主要參數，如支架壓力、電動機電流、煤機位置等進行實時監控。再通過TCP/IP等協議實現地面控制系統與互聯網的連接，通過客戶端軟件和不同密碼授權功能，實現工作面遠程控制和遠程狀態查詢、故障判斷等，讓工作面的整個系統情況在世界任何角落的人可以實現遠程監測、控制、診斷、處理，實現真正意義上的遠程自動化采煤。

4 結束語

綜采工作面自動化控制技術是通過先進的綜采設備工藝和自控技術，加上信息和計算機通訊等技術實現采煤工作面各設備的聯合自動工作，實現煤炭開采自動化，工作面無人化；從而減輕煤礦工人勞動強度，改善工作環境，提高生產效率和安全水平，推進煤礦機電技術水平，增強煤炭開采科技含量，讓煤礦徹底擺脫臟、累、危的境界；是實現工作面高效、安全的現代化高科技采煤工藝，是煤炭工業的發展方向。目前，綜采工作面自動化控制系統研究是我國采礦工業的研究熱點，也是我國采礦業趕超世界的契機，隨著人們對煤炭開采技術的更深入研究和探索，采煤工業一定會成為高科技技術的集成、融合和體現，為人類利用現代化技術改造自然、利用自然的典范。

參考文獻

[1]王安.現代化億噸礦區生產技術[M].煤炭工業出版社，2005.

[2]賀海濤.綜采工作面自動化在神東礦區的實踐[J].陜西煤炭，2009（2）.

[3]夏護國.自動化綜采工作面技術應用[J].陜西煤炭，2007（1）.

[4]楊景才，王繼生，李全生.神東礦區1520m煤層自動化開采技術方案研究[J].神華科技，2009.

[5]瑪珂.綜采工作面自動化技術交流[J].北京天地，2009.

[6]宋磊，宋方立.液壓支架電液控制系統技術的發展與現狀分析[J].液壓氣動與密封，2012（2）.