綜合控制系統實現無人綜放工作面自動控制的應用與研究

王曉天

（同煤浙能麻家梁煤業有限責任公司，山西 朔州 036002）

0 引言

實現煤礦綜放工作面無人自動化控制的關鍵就是對采煤工作面的設備進行可靠的監控并對設備運行數據進行記憶分析，并由人工進行遠程控制，真正實現煤礦生產監控的無人（少人）值守目標。在故障發生時，通過自動化控制能夠減少煤礦的經濟損失，為煤礦工作人員提供生命及財產安全保障。因此，充分掌握綜放工作面的各設備運行工況，實現設備遠程控制啟停、設備運行參數實時監控并上傳對于實現綜放工作面無人自動化值守具有重要意義。

麻家梁14102綜放工作面煤層均厚7.4～11.0 m，煤層傾角3°～5°，工作面走向長度1 788 m，工作面長度229.75 m。工作面布置134臺鄭煤機產ZF15000/27.5/42D型支架，配套有德國艾柯夫SL500型采煤機、德國比塞洛斯PF6/1142型前刮板機、PF6/1342型后刮板機、PF6/1542型轉載機及寧夏西北煤機制造的DSJ140/350/2×800型膠帶輸送機，使用天地瑪克電液控制系統。

1 綜合控制系統概述

如圖1所示，綜合控制系統可分成3個層次，第一層次為單機設備層，第二層次為集中控制層（監控中心），第三層次為地面層。

在單機設備層中，獨立控制作業主要依靠各個子系統共同完成。第一層中的子系統主要包括網絡信息系統、集成供液系統、電壓控制子系統、電氣控制子系統、煤機子系統等，其中網絡信息系統又包括工作面中的三維系統、視頻系統以及以太網系統等；運輸機系統主要包括皮帶機控制系統以及三機控制系統；而集成供液系統主要指的是煤礦泵站系統。單機設備層中各個子系統全部設置通信接口，并與綜采自動化系統開放通信協議，通過通信協議以及通信接口，綜采自動化系統就能夠實現對子系統運行過程中各種數據的采集，并實現對子系統反向啟動、停止的控制。

在幾種控制層中，各項作業主要在監控中心實施。監控中心的自動化系統的建立，主要是將工作面監控系統、數據上傳系統、泵站控制系統、三機控制系統、電液控制系統、煤機控制系統等有機地結合起來，具備所有系統的各項功能，對工作面設備在作業運行過程中的幾種控制與遠程監控效果。

地面層實現對綜采工作面設備的遠程數據監測，實時掌握工作面各設備的工況。

圖1 綜合控制系統層次圖

2 綜合控制系統工作原理及應用

建立綜放工作面生產調度指揮中心，通過光纜覆蓋，上傳語音、視頻、設備運行工況參數及故障在線監測，本系統的監測功能數據來源均采集自各子系統。綜采工作面監控中心將采煤機系統、泵站集中控制系統、運輸機系統、電液控制系統、供電系統等結合在一起，實現了對綜采工作面的遠程實時監控；對液壓支架以及采煤機的控制，可以在監控中心通過遠程控制系統實現，有效地降低了控制的勞動量，減少人工操作；傳統的一個機器多個系統，嚴重影響綜采面工作的控制，將通信、監視、控制有機地結合在一起，提高了自動化系統運行效率；傳統的工作面自動化系統中，通信、控制、數據、視頻等系統各成體系，工作面系統投入較大，采用將各個系統集中結合起來的方式，讓一條主線在工作面中橫穿，在很大程度上簡化了工作面，降低了工作面布置的投入，為企業節約了大量的資金；系統本安化設計，具有高可靠性；系統采用快速插頭連接，安裝、維護方便；該系統建設安裝工程中，采用了成套的設備體系，各個子系統之間緊密地聯系起來，具有可靠性強、連接性高等特點；另外該系統實現了對采煤機、液壓支架的遠程集中控制，并且可以延時控制到500ms之下，提高了該系統的實用性。

2.1 綜合控制系統工作原理

綜合應用控制系統系統的監測功能數據來源均采集自各子系統。系統采集數據如下：

1）工作面各設備運行工況顯示。

2）采煤機工況顯示。主要包括：左右搖臂、左右牽引軸承的溫度，牽引方向、速度，液壓系統備壓壓力及泵箱內液壓油的高度，冷卻水流量、壓力，油箱溫度，左右滾筒高度，機身仰俯角度，采煤機在工作面位置。

3）運輸機的工況顯示。主要包括運輸機的啟停狀態、工作電流、工作電壓、功率。

4）液壓支架工況顯示。各支架壓力值、各支架推移行程、各電磁閥動作狀態、主機與工作面控制系統通信狀態。

5）泵站系統工況顯示。泵站出口壓力、泵站油溫、泵站油位狀態、泵站電磁閥動作情況、液箱液位、乳化油油箱油位。

6）工作面設備與監控中心各主控計算機的通信狀態顯示。

7）工作面設備保護信息顯示。包括漏電、斷相、過載、各種故障狀態、數字信號的反饋等。

8）工作面語音系統狀態顯示。包括電話閉鎖狀態顯示、急停狀態顯示和斷路位置顯示（斷路的具體架號）。9）環境參數的顯示。包括工作面瓦斯、CO等數據。10）歷史故障查詢功能。對所有可能出現故障的地方進行記錄。

11）礦壓分析數據。

12）工作面視頻顯示。

13）進行視頻管理，查詢，存儲等功能。

2.2 綜合控制系統功能及應用

通過通信接口向各子系統發出控制指令來完成系統的控制功能：1）建立工作面生產調度指揮中心，實現工作面集中自動化控制；2）液壓支架跟機自動化控制及遠程遙控；3）采煤機遠程遙控；4）集成供液系統智能自動化控制，對工作面泵站、過濾系統集中自動化控制；5）將三機監視、通信、控制有機地集合起來，并在綜采工作面監控中心內，實現對破碎機、轉載機、運輸機等的遠程集中控制。

在生產過程中，采煤機中部裝有紅外線發射裝置，兩端裝有采高、臥底指示儀，每臺電液控支架前立柱上裝有一個紅外線接收裝置，在采煤機牽引過程中，收到紅外線信號的電液控支架將護壁板及伸縮梁收回，采煤機后滾筒割完底煤后，電液控支架收到紅外線信號后開始將立柱、移架、升立柱、伸縮梁、前梁、護壁板成組，然后依照程序設定的參數實現推前部輸送機、拉后部輸送機。

支架和采煤機的協調聯動是實現遠程控制的基礎，也是實現"無人工作面的首要條件"。采煤機具有記憶截割以及遠程控制的功能，其中記憶割煤主要由位置控制以及采高控制兩個部分構成。在進行采樣過程中，首先應該對取樣間隔時間進行明確，并確定工作面的長度、寬度等參數，同時記錄與存儲采煤機的實際位置、仰俯角度等。而采高控制主要發生于采煤機正常運行過程中，將煤層結構、厚度等不斷變化過程匯總，對滾筒的位置進行相應地調整。另外，在綜采工作面實現支架控制器互聯的情況下，將主控計算機設置在設備列車中，并實現主控計算機與支架控制器之間的互聯。

監控主機是液壓支架電液控制系統中的主要配套設備。其主要功能為：在程序作用下，通過采集液壓支架上的工作狀態信息，并用顯示屏幕顯示，通過程序軟件將有用信息傳輸到地面計算機。它是以AMD T56N處理器為核心計算機系統。其主要工作原理是：利用程序以RS485或RS232通訊接口，從液壓支架上獲取支架的工作狀態信息，并把工作狀態信息顯示在屏幕上。同時也能把狀態信息數據通過以太網接口傳輸出來。

操作臺是視頻系統或者支架遠程控制系統的一個重要控制設備。在視頻系統中，操作臺通過RS232通訊與視頻系統的虛擬控制中心相連；用戶通過對操作臺的按鍵控制進而實現對虛擬控制中心的操作，虛擬控制中心將視頻切換指令發送給視頻監視器，完成視頻監視器的視頻切換功能。在支架控制系統中，操作臺與耦合器通過雙線CAN相連，通過操作臺和雙線CAN將控制指令發送至電液控制系統中，進而實現支架的遠程控制。另外，操作臺兼有RS485接口，可獲取采煤機位置指令。

該系統最高層為地面監控站，通過本安型光纖環網交換機實現與井下主控計算機之間的通信互聯，并實現數據信息的共享，保證了在地面就能詳細了解井下作業情況，為支架控制、作業調整等提供有力的依據。

3 綜合控制系統在綜放無人工作面應用有待完善的研究方向

1）煤層結構有變化時，需要大傾角上提或下剎工作面時仍需要人工操控采煤機。

2）目前，綜放工作面在放頂煤的環節上采用程序控制不可行，原因有二：一是煤量、矸石量不容易掌控；二是在伸后插板的過程中，若無人監控，容易將后插板插在刮板機內，造成機械事故。

3）工作面頭、尾過渡支架采用電液控制，比手動操作過渡支架效果差，原因是電液控制支架已預先設定好給液時間參數，但是頭尾過渡支架噸位大，又處于巷道中，因此支架給液時間短不能滿足拉移支架、推拉前、后刮板機的需要。另外，過渡支架移架往往不如普通架容易，因此在移架過程中需要多個千斤同時動作，但是電液程序化控制支架目前不能很好地應用于生產實踐。

4）電液支架電磁先導閥對水質要求苛刻，工作面供水、回液過濾經5級過濾后才能達到規定的精度（不超過25 μm），過濾系統復雜，對人員維護設備的能力提出了更高的要求。

4 結語

綜合控制系統是計算機及控制技術、液壓技術、電液控制、檢測技術、無線通訊技術綜合一體化的新技術。采煤機、支架、三機、泵站系統協調聯動，極大地提高了生產效率。

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