天地科技上海分公司采煤機智能化技術現狀與展望

劉振堅 邱錦波 莊德玉

(1.中煤科工集團上海有限公司，上海市徐匯區，200030； 2.天地科技股份有限公司上海分公司，上海市徐匯區，200030)

1 天地科技上海分公司采煤機智能化技術現狀

1.1 天地科技上海分公司簡介

天地科技股份有限公司上海分公司(以下簡稱“上海分公司”)是中國煤炭科工集團有限公司控股上市公司天地科技股份有限公司在上海市設立的科技型企業，上海分公司作為原國家采煤機械專業技術歸口單位和現國家煤礦專用設備標準化委員會采煤機分會主持單位，是目前國內首家擁有自主知識產權采煤機產品最齊全、功率覆蓋面最大、適應開采高度和煤層傾角范圍最廣、主要性能指標和技術參數最先進、自動化程度最高的采掘技術裝備服務商。

作為我國煤礦綜采設備國產化、自動化和智能化的領軍者，上海分公司取得的關鍵技術成果已接近或超越了國際先進水平，創造了多項第一：第一家研制開發了液壓牽引和交流變頻電牽引二大系列采煤機；第一家研制出多電機驅動橫向布置采煤機；第一家研制出交流變頻調速電牽引采煤機；第一家研制出適合大傾角工作面使用的四象限運行交流變頻調速電牽引采煤機；第一家研制出雙電機驅動截割部的大功率薄煤層采煤機；第一家研制出用于急傾斜厚煤層水平分層和三下采煤的短壁采煤機；第一家研制出厚煤層大功率電牽引采煤機；第一家研制出采用分布架構嵌入式DSP控制系統的采煤機；第一家研制出用于少人或無人工作面使用的自動化采煤機。

上海分公司已開發形成了采煤機和掘進機兩大類產品。采煤機有23大系列70余種型號產品，能滿足現階段所有機械化采煤工作面的需要；掘進機有6大系列懸臂式掘進機，能滿足各類巷道的掘進需要。

近年來，上海分公司銷售總額及市場占有率一直穩居同行業榜首，公司已生產1000多臺(套)、各型號采煤機和掘進機，在國內近362家煤炭生產企業使用，覆蓋18個國內主要產煤省份以及俄羅斯、烏克蘭、土耳其等海外市場。為更好地服務客戶，上海分公司采取銷售、服務、倉儲、技術前移政策，跨前一步、主動對接客戶的難點、痛點，及時提供技術、服務解決方案。

目前，上海分公司通過籌資自建和控股改制，逐步改變初期“兩頭在外、中間在內”的產業模式，已形成天地上海采掘裝備科技有限公司和常熟天地煤機裝備有限公司兩大產業基地，規模不斷擴大，裝備了先進的加工設備和檢測設備，具備年產300套優質整機產品和相當于150套整機的配件生產能力。

1.2 技術發展歷程

上海分公司自成立以來，在技術上不斷尋求突破，經歷了單電機縱向、液壓無鏈牽引采煤機，多電機橫向布置、交流變頻電牽引采煤機，大功率、大采高及其他難采煤層四象限交流變頻調速采煤機，高可靠性、高自動化無人工作面采煤機的技術發展歷程，見圖1。

圖1 技術發展歷程

1.3 技術成果

上海分公司先后取得上百項科研成果，承擔和參與了國家“十一五”、“十二五”、中煤科工集團及天地總公司等科研項目；獲得國家科技進步獎、中國煤炭工業協會科學技術進步獎等省部級以上獎項31項，并榮獲上海市優秀產品二等獎、上海市高新技術產品等稱號；近10年來共計發表各類學術論文200余篇，獲得專利授權162項，其中發明專利9項。

1.4 采煤機控制系統

1.4.1 電控系統發展歷程

2004年首次開發應用采煤機DSP電控系統，2009年推出第二代DSP電控系統。2010-2011年，在晉城古書院礦開展首個全國產化設備自動化工面探索實踐，實現了基于表格參數化的采煤工藝過程記憶和自動化基本功能，成功實現了基于以太網及專用FSK調制通訊的采煤機平巷及地面遠程操作控制功能。2012-2013年，陸續在永城、平頂山、兗州等礦區開展了采煤自動化的實踐；2013-2015年，在煤巖自動識別、搖臂在線故障診斷、采煤機機載視頻、機載兩芯以太網絡等技術方面不斷進行研究和探索，取得了一些初步成果；2015年正式將LASC技術引進中國，開始在轉龍灣礦進行適應性驗證項目，2017年初完成國內首個LASC自動化工作面項目，期間完成了基于自由曲線模式的采煤機全工藝過程記憶截割自動化功能的驗證；當年完成了CSIRO對天地科技股份有限公司的LASC技術授權以及對上海分公司的硬件制造授權；2018年開發煤機用兩芯千兆以太網通訊產品樣機；2017-2018年，上海分公司采煤機自動化銷售推廣開始爆發式增長，截至目前已經銷售16套LASC系統。

1.4.2 二代DSP電控系統

二代DSP電控系統原理框圖如圖2所示。在圖2中，紅色是巷道順槽控制系統配置，黑色是采煤機機載電控模塊配置，多個功能模塊分布式布置，相互間通過CAN總線通訊網絡互聯。這種嵌入式系統的分布式網絡結構，擴展能力很強，功能模塊根據工況需要有多種組合方式。

圖2 采煤機控制系統原理框圖

二代DSP電控系統基于CAN總線及分布式工業以太網等技術，目前已經穩定運行10多年，技術上成熟穩定，操作簡單實用。目前該系統累計裝機數已經超過600臺，經多年應用實踐表明，該系統在控制性能、穩定性與可靠性等方面均優于基于PLC的采煤機控制系統。

在系統硬件方面，運算指令能力達到4.4億次/s，控制程序掃描時間小于10 ms，可對采煤機中的上百種狀態參數和信號進行檢測、控制與保護，支持常見系統故障的診斷，實現智能化在線診斷。通過傳感系統在線監測采煤機關鍵部件的實時運行狀態及故障信息，在出現嚴重故障時，對采煤機進行保護，避免損壞采煤機相關部件，對一些非關鍵故障實行自動屏蔽與降級運行，通過數據傳輸系統可以將狀態和故障信息實時傳輸到監控遠端。

1.5 采煤機自動化智能化技術

1.5.1 機身傳感技術

(1)滾筒截割高度。安裝旋轉角度傳感器，通過精密伺服旋轉電位器測量搖臂相對于機身的擺動角度，然后根據機器幾何尺寸參數，計算當前截割高度。

(2)位置檢測與牽引速度。安裝旋轉編碼器，通過檢測牽引行走輪的轉動圈數與角度，定時采樣計算出機器牽引行走的距離與速度。

(3)機身傾角檢測。安裝兩維傾斜傳感器，集成到位于電控箱內的模擬量混合輸入模塊內部，出廠前相關傳感器經過適當的校準后，可直接檢測到機身傾角情況，如圖3所示。

圖3 采煤機傳感技術示意圖

1.5.2 機載視頻技術

采煤機安裝了機載超低照度高解析度攝像頭，并配合有LED燈輔助照明。通過采煤機專用視頻監控技術，可在巷道計算機或其他網絡終端上實時監測工作面狀態，并具有遠程在線操控采煤機功能。

1.5.3 巷道通信技術

采煤機至順槽巷道的通訊標準配置為FSK載波通訊，通過主電纜控制線的頻分復用，穩定傳輸距離可達500 m以上，指令傳輸延遲11 ms，延時抖動小于1 ms，且支持EIP、工業以太網TCP/IP、485、CAN等通訊協議。

巷道通訊可選配采煤機采用動力電纜與光纖傳輸混合通訊傳輸方式，傳輸距離達到2500 m以上。

采煤機支持工作面4G通訊功能，可支持WCDMA/EVDO/TD-SCDMA/FDD-LTE/TD-LTE網絡，傳輸速度最大可達300 Mbps。

1.5.4 智能記憶截割技術

上海分公司智能記憶截割系統由截割控制模塊、自動截割軟件包、傳感檢測模塊、配套傳感器(左、右滾筒截割高度傳感器、采煤機牽引速度與工作面位置傳感器、機身傾斜傳感器和位置同步傳感器)等幾部分組成，見圖4。采用自由曲線記憶截割方式，帶端頭工藝支持，滿足復雜的截割條件，可完全按照實際學習的采煤工藝實現兩端頭復雜的斜切、割三角煤、掃底等自動截割運行。

上海分公司智能記憶截割系統最多可以支持31個截割工藝段的記憶截割控制和各種復雜工作面的端頭截割工藝，實現了采煤機循環作業全過程自動化截割，支持遠程記憶截割學習，使學習過程簡單化，見圖4。自動運行的采煤機在300 m長的工作面上，其行走位置控制精度優于±5 cm，滾筒截割高度的穩態重復誤差小于±4 cm。

圖4 綜采工作面采煤機割煤工藝示意圖

1.6 互聯網技術

1.6.1 技術簡介

上海分公司采煤機互聯網應用是由工作面采煤機主機網絡、采煤機到工作面平巷通信網絡、礦井光纖環網、遠程互聯網和網絡應用組成的一體化監控服務體系。互聯網應用實現了采煤機產品多項創新，如圖5所示。

1.6.2 遠程監控與服務

通過互聯網技術的應用，可遠程使用辦公電腦、平板、手機等終端連接訪問井下工作面采煤機，實時查看監控采煤機運行狀態，并實時跟蹤監控工作面生產狀態。

通過互聯網技術的應用，可以遠程可視化監控診斷采煤機狀態，查詢分析采煤機主控系統、記憶截割系統的運行數據，為用戶提供端到端的遠程診斷技術；同時定期檢查采煤機整體工作狀態，及時為客戶提供維護信息，如圖6所示。

通過互聯網技術的應用，可遠程訪問采煤機系統模塊參數，根據井下運行需求靈活配置與優化采煤機參數。

通過采煤機互聯網應用，在遠程查看采煤機主控系統模塊接口狀態，根據井下應用需求實時更新采煤機模塊固件，充分適應用戶對煤機應用的高端要求和復雜工藝。

圖5 煤礦互聯網技術

圖6 遠程監控與服務

2 LASC技術

2.1 技術簡介

澳大利亞聯邦科學院(CSIRO)的LASC系統，是一套基于高精度慣性定位傳感器的先進控制系統，可實時監測采煤機三維姿態，實現工作面自動調直、開采水平控制、遠程監控等功能。天地科技股份有限公司與CSIRO建立技術合作關系，上海分公司采煤機電控系統可通過軟件直接集成實現了嵌入式EIP通訊協議，實現了與LASC系統間的無縫連接。該電控系統已通過兼容性測試，在支持EIP控制通訊標準接口方面，具有國內其他廠商難以匹敵的優勢。

2.2 應用情況

LASC系統通過協議適配模塊將數據傳到交換機，同時大量的采煤機傳感數據也是通過協議適配模塊，集中通過交換機，然后通過不同的通訊方式，傳輸到控制臺上位機。數據處理之后，進行反饋，形成閉環系統，如圖7所示。

2016年，與CSIRO合作的LASC項目在兗州煤業轉龍灣礦開始工業性實驗，實現了首次在國產采煤機上實現高精度的三維空間定位和運行軌跡的檢測。在實際工況條件下，達到300 m長工作面小于10 cm的定位測量精度，實現軌跡檢測對工作面液壓支架和刮板運輸機自動對齊找直的應用支持。上海分公司采煤機智能化應用情況匯總見表1。

表1 上海分公司采煤機智能化應用情況匯總

3 技術展望

3.1 上海分公司在研技術

目前采煤機因煤巖界面自動識別技術沒有明顯的突破，仍不能實現智能自適應截割。隨著技術的發展，筆者認為，未來采煤機將是配備高可靠性的視覺、觸覺等感官系統，能自動識別周圍的環境狀況，并預知自身元部件運行狀態；可以與工作面其他設備進行實時相互通訊，并通過發達的大腦(智能控制系統)處理這些信息，制定并可實時調整控制策略的采煤機器人，如圖8所示。

(1)聽覺。新研制的振動與噪聲檢測分析裝置，可用于機械傳動系統的故障監測，以及煤巖截割振動與噪聲特性在線分析，為實現采煤機的機器聽覺能力，也為搖臂及關鍵機械傳動系統故障的早期預判奠定了堅實基礎。

圖8 采煤機智能化技術發展示意圖

(2)視覺。隨著工作面及采煤機機載視頻技術的發展，相關技術的礦用化應用可望成為采煤機智能化技術新的發展方向。

(3)非常規視覺與觸覺。在運行過程中，采煤機截割滾筒、機身頂部可能會與異常動作狀態的工作面其他設備產生碰撞，造成設備損壞及安全事故。自動判斷采煤機運行空間是否有阻擋物及干涉情況，也是采煤機智能化運行的一個關鍵點。需要發展適應性好的干涉探測雷達、接觸與碰撞檢測傳感系統。

(4)內部感知。通過傳感檢測系統，采煤機將可以對自身工作部件狀態進行感知，并對工作能力、壽命進行評估，實現預測維護。提示操作人員進行日常維護。當部件性能出現異常溫升等狀態時，進行故障預診斷保護，提示操作人員維護。

3.2 技術展望

采煤機運行自動化與智能化是煤炭自動化、智能化開采的核心，加快其關鍵技術的研發，是早日實現煤炭智能化高效開采的必然要求。近年來，在國內外煤機生產廠家、研究機構的不懈努力推動下，采煤機已經在自動化方面取得階段性成果，但一些關鍵技術仍然不夠成熟，適用性和可靠性尚不能滿足安全高效生產的要求。至少還需要在以下幾個方面對采煤機自動化、智能化技術加強研究。

(1)智能感知傳感器技術。加快采煤機機器視覺系統的研究，早日實現可見光、熱紅外、雷達成像技術和多維立體視覺測量技術在采煤機上的實用化，推動在線煤巖界面自動識別的技術的進步。

(2)智能控制軟件。智能化控制是多維度感知與決策的綜合，涉及大量子狀態、子過程之間交互作用，各系統間緊密耦合，需要研究采用新架構、新算法、新技術保證各控制的精準高效，并不斷豐富控制功能，提升系統穩定性、擴展性和易用性。

(3)采煤機網絡數據庫技術的研究。包括采煤機與順槽設備間的高可靠、高帶寬通訊技術的研究，機內智能節點便捷可靠地實現物聯網接入技術研究，發展基于網絡的遠程故障診斷、運行優化分析技術。包括可用于采煤機的云端數據庫、計算平臺的研究。

(4)控制安全技術。復雜智能控制軟件可能存在的潛在不確定性導致工作異常設備失控情況，在智能控制領域并不少見。通過網絡的遠程訪問和操作控制采煤機，所面臨的安全風險，亟需研究相關控制網絡安全技術。

4 結語

煤炭的綠色安全高效利用是煤炭行業的發展方向和大勢所趨。天地科技上海分公司肩負著“讓煤炭生產更安全、更高效、更清潔”的使命，秉承“成就客戶、合作共贏”的核心價值觀，努力弘揚“創新、誠信、堅韌、合作”的企業精神，懷著“引領中國煤機、塑造世界品牌”的愿景，積極投身于智慧礦山建設和采煤機智能化發展研發。

本文通過介紹天地科技上海分公司采煤機智能化技術現狀和實踐應用情況，以及深入分析LASC技術的優勢和技術研發展望，目的是推動智慧礦山建設和煤炭行業科技進步。