正利煤礦綜采工作面全系統智能化控制的實現

劉鳳偉，任文永，李繼忠，張永康，張耀明，王宏偉，閆孝姮

（1．山西焦煤集團 嵐縣正利煤業有限公司，山西 呂梁035200；2．太原理工大學 科學技術研究院，山西 太原030024；3．遼寧工程技術大學 電氣與控制工程學院，遼寧 葫蘆島125105）

我國傳統煤炭開采的主要方式為綜合機械化采煤，由采煤工人對每個設備進行單獨手動控制，單純依靠大量人工手動操作難以滿足開采要求，存在著效率低、人員數量及安全等問題[1-4]。所以國內煤炭企業越來越關注生產自動化，自動化工作面的應用保證了煤炭開采質量，降低工人勞動強度，提高生產效率[5-7]，但我國煤礦工作面自動化控制技術剛剛起步，目前僅在單機設備上實現自動化功能，并不能形成完整的系統[8-10]。鑒于此，提出了綜采工作面全系統智能化控制方案。

1 控制系統的功能實現

綜采工作面智能化控制系統主要由集控中心及各個子系統組成。主要實現綜采系統“一鍵”啟停，采煤機記憶割煤，液壓支架自動跟機；并實現采煤機、刮板運輸機、轉載機、破碎機、液壓支架、泵站等綜采設備的巷道集中控制和巷道、地面的集中監測。

1）集控中心。工作面巷道監控中心是整個自動化工作面的核心，包括：集控臺、視頻主機、日志主機、數據處理主機（客戶端、采煤機、刮板機、轉載機、破碎機、帶式輸送機、泵站、供電系統等的數據采集系統）、綜合接入器、交換機等系統組成。主要實現對采煤機工況監測與遠程自動控制、對液壓支架工況監測與遠程自動控制、對運輸設備狀態監測與集中自動化控制、對泵站系統狀態監測與集中自動化控制以及對采煤機、刮板機頭、刮板機尾、轉載點視頻實時監視等功能。

2）采煤機子系統。采煤機系統由采煤機、電控系統、慣導系統、無線WIFI 系統等組成，實現采煤機的記憶割煤，以及根據采煤工藝，實現三角區的自動化割煤，采煤機的位置可以通過D 型齒輪傳感器和支架紅外位置進行修正，精確定位，該子系統安裝了慣導組件的自導系統，對采煤機行走路徑進行監測，配合液壓支架分步精細推拉管理系統，實現刮板輸送機調直管理。

3）電液控制系統。該系統主要由主閥、支架控制器、傳感器、隔爆兼本安型直流電源、電源耦合器、架間耦合器、驅動器、紅外接收器、紅外發射器、高壓過濾站、回液過濾站、巷道監控計算機及相應的電纜組成。實現單臺支架的“降、移、升”自動控制及成組自動移架、成組自動推刮板輸送機刮板、成組自動伸護幫、成組自動收護幫、成組自動噴霧、成組自動收伸縮梁、成組自動伸伸縮梁。對立柱的工作壓力、推移千斤頂的行程、煤機的位置、方向進行監測，在井下電液控制主機上能夠對上述信息進行顯示和存儲，能將數據傳輸至地面分控中心并顯示。

4）三機、帶式輸送機運輸及電力系統。該系統由三機（刮板輸送機、轉載機、破碎機）和運輸巷帶式輸送機、運輸上山輸送帶、590 輸送帶、沿線電話、組合開關、控制器等組成。實現對三機（刮板輸送機、轉載機、破碎機）和運輸巷帶式輸送機、運輸上山輸送帶、590 輸送帶的運行狀態監測和遠程控制功能，可以對電力組合開關的3 300 V 和1 140 V系統的各個供電回路的遠程分合閘、狀態監測、故障報警等進行監控，監測的狀態有各個回路的電壓、電流、功率，故障保護有過壓、欠壓、短路、過載、斷相、溫度、漏電等。

5）視頻監控系統。視頻由采面視頻和巷道視頻組成，對綜采工作面的工作情況實時監控，在轉載機與刮板運輸機轉載點、運輸巷帶式輸送機溜煤眼、破碎機工作點、泵站、組合開關等處安裝了攝像機進行固定點監控，支架上的攝像機采用自動跟機切換的模式，通過采集采煤機的位置信號，自動打開對應的支架上的攝像頭，使其保持與采煤機的同步開啟，使操作司機可以看到采煤機的截割滾筒的工作狀態。

6）供液系統。供液系統由地面乳化液供液系統、井下乳化液泵、乳化液箱、高壓反沖洗過濾站、回液過濾站、傳感器（溫度、液位、流量）等組成。該系統配備了高壓自動反沖洗過濾站和回液過濾站，對乳化液介質進行了過濾，清潔，實現對高壓自動反沖洗過濾站的自動、手動、定時、定壓反沖洗控制，當壓力嚴重超限，或不能進行反沖洗，濾芯堵塞嚴重時，實現泵站的報警停泵控制，該系統還需對乳化液箱的液位、溫度、和干管流量進行實時監測以保障系統穩定運行。

此外，工作面自動控制系統還具有地面調度子系統，主要由交換機、各客戶端主機、客戶端顯示器、數據服務器、硬盤錄像機、打印機等設備組成。該系統采用以太網實現綜采設備數據上傳，通過礦井自動化網絡,將綜采設備的數據傳到井上，實現地面分控中心對綜采設備的監測、顯示、控制；實現綜采設備（液壓支架、采煤機、刮板輸送機、轉載機、破碎機、負荷開關、泵站）數據的集成，在地面調度中心對綜采設備的遠程監測、顯示；向第三方提供標準的OPC 協議，便于礦井自動化集成，并監控顯示工作面分布在巷道、支架和采煤機的網絡攝像頭視頻畫面，網絡攝像頭的視頻數據通過工業以太網網絡傳輸到地面視頻服務器顯示，同時進行視頻管理、查詢、存儲等。

2 工作面自動控制系統配置及結構

1）集控中心系統。集控中心有6 個客戶終端：上面3 個是視頻，分別顯示動作支架視頻監視、轉載點視頻監視、采煤機及采機周邊視頻監視；下面3 個視頻是數據監測，分別是支架數據監測、綜合信息監測、采煤機數據監測。6 個客戶終端通過核心交換機和綜合接入器與各個子系統進行連接，進而實現對采煤機工況監測與遠程自動控制、對泵站系統狀態監測與集中自動化控制等等。

2）采煤機子系統。采煤機控制系統結構圖如圖1，主要包括西門子S7-300 主控器、繼電器、電源及按鈕等。I/O 控住主要包括啟停采煤機液壓電機，啟停截割電機，采煤機左牽右牽等；保護監測內容主要包括系統電壓，左右截割電機電流，左右截割電機溫度，內腔溫度，油箱溫度，牽引泵電流，牽引變壓器溫度，油位，調高泵低壓側油壓，左右牽引電機溫度，變頻器電流，變頻器溫度，變頻器母線電壓等；控制監測內容主要包括采煤機位置，采煤機高度，機身搖擺角，機身俯仰角，左右搖臂傾角，變頻器轉矩等。另外安裝了慣導組件的自導系統，對采煤機行走路徑進行監測，安裝了工作面無線WIFI 通訊系統，電液控支架每隔8～10 架安裝1 臺無線WIFI模塊，之間通過有線連接，通過調試后，解決了工作面無線WIFI 信號的覆蓋和切換問題。然后將采煤機的數據通過無線網絡傳輸到巷道集控中心。

3）電液控制系統。系統采用ZDYZ-ZA 控制器為液壓支架控制器，是液壓支架電液控制系統的核心控制部分，與電磁先導閥連接，實時輸出控制信號，控制各液壓油缸的伸縮；并與各傳感器相連，采集液壓支架機械結構部分的位姿與狀態信息。液壓支架上常用的傳感器有壓力傳感器、位移傳感器和紅外接收器等。壓力傳感器可以采集立柱的支撐壓力，在立柱升/降柱時或自動補壓時提供壓力信號。位移傳感器用于測量液壓支架推移位移，但實際應用時誤差較大。安裝在液壓支架上的紅外接收器與安裝在采煤機上的紅外發射器通過紅外信號通信，用于進行采煤機定位。

4）三機、帶式輸送機運輸及電力系統。采用西門子S7-1200 系列PLC 為控制器，利用CM1241 作為通信模塊與電力組合開關的3 300 V 和1 140 V系統進行通信連接，進而對三機和運輸巷帶式輸送機、運輸上山輸送帶、590 輸送帶的運行狀態進行監測和遠程控制。

5）視頻監控系統。通過電液控支架隔架安裝1臺正對煤壁的攝像儀和每隔6 臺電液控支架安裝的橫向攝像儀，對綜采工作面的工作情況實時監控。集控中心顯示視頻的3 個顯示頻，最左邊顯示帶式輸送機的視頻監控信息，中間顯示工作面橫向固定視頻信息，最右邊顯示采煤機位置的視頻信息共4個橫向攝像頭（可隨采煤機位置自動切換）。采面視頻和巷道視頻是通過以太網級聯進入綜合接入器。

6）供液系統。供液系統結構圖如圖1，采用西門子S7-1200 系列PLC 作為控制器，通過CM1241 RS485 通信模塊與綜合接入器連接，利用綜合接入器中的RS485 轉以太網模塊與核心交換機和集控中心連接，實現操作人員可通過集中控制系統的操作臺對各泵站進行啟?？刂啤Ｍㄟ^液位傳感器與溫度傳感器、流量傳感器與壓力測量裝置分別對乳化液箱的液位、溫度與干管的流量、壓力進行了實時監測，經過隔離模塊再將信號輸入PLC。輸出部分PLC 經繼電器輸出模塊對電磁閥進行控制，來實現泵站的自動控制。

3 系統軟件

三機系統控制流程圖如圖2，三機子系統主要實現對工作面刮板運輸機、破碎機以及轉載機等負載設備進行邏輯啟?？刂埔约捌渌▓缶?、急停、參數采集等信息處理，其中實現設備邏輯控制是最重要工作，可以分為設備的集控、單控和點控，集控是對所有設備進行集中控制，在綜合客戶端上對應2 個啟停按鈕：集中啟動、集中停止；單控是對每臺設備單獨控制，每臺設備對應1 個啟停按鈕，可以對設備進行獨立啟動和停止；點動是當啟動按鈕按下時設備啟動，當放開時設備停止，它一般是用在設備維修時，特點是啟停時間間隔很短。

圖1 供液系統結構圖

圖2 三機系統控制流程圖

供液系統控制流程圖圖略，在供液系統中乳化液泵站采用單泵控制方式，即單獨對每一臺泵進行一鍵啟?？刂?。系統首先檢測乳化液箱的液位，乳化液濃度和壓力，當檢測到的值符合系統要求時，即可在綜合客戶端上對循環泵進行啟動。

基于遠程干預的采煤機記憶截割控制流程如圖3，共分為3 個階段：人工學習、自動截割與遠程干預修正。首先由操作人員對采煤機參數進行修正檢查，如果需要學習示范刀，則進行示范刀的學習。如果以前已經學習完成，則直接選擇進行自動截割模式。在整個自動截割過程中，通過遠程監控攝像頭實時監控采煤機采高變化情況以及實際的每層變化情況。如果需要更改跟蹤頂底板曲線，則進行遠程干預，由采煤機重新覆蓋跟蹤曲線。

圖3 采機系統控制流程圖

4 監控界面

利用WINCC 豐富的圖形界面功能，完成系統所需畫面的繪制。自動化網絡監控系統的監控畫面主要包括：

1）綜合客戶端。主界面實時監控轉載機、破碎機、刮板運輸機、乳化泵站、帶式輸送機的起停狀態；能單機對上述設備進行啟?？刂??？刂撇僮鲿r通過系統管理，輸入用戶名和對應權限密碼登錄后進行控制操作。操作完成后需注銷用戶，避免誤操作。系統導航條一直顯示在畫面頂部，分為綜合主界面、組合開關3300、組合開關1140、超前支架、趨勢查詢、報表查詢、故障查詢、系統管理。用戶可以通過點擊各系統的圖標進行對應系統參數瀏覽。

2）支架客戶端。支架客戶端可對工作面支架的狀態信息進行實時監測，實時監測支架立柱的前柱壓力、后柱壓力、推溜行程、慣導信號、護幫壓力、護幫狀態，以柱狀圖的形式顯示；并實時監測支架動作信息（噴霧、護幫動作、推溜、拉架、升柱、降柱）、故障信息、閉鎖、急停信息等。用戶可以根據圖形描繪的信息判斷工作面是否存在故障等信息。當支架電液控操作鍵盤打到“跟機”檔位時，工作面沒有急停閉鎖的情況下，通訊狀態一欄將顯示黃色。

5 結 語

采用了由計算機、傳感器、自動控制以及故障診斷等多種技術組成的控制系統，實現了正利煤業14-1104 綜采工作面的全系統智能化控制。①對集控中心、采煤機系統、電液控制系統、三機系統、視頻系統和供液系統的組成及控制功能進行分析。②對綜采工作面的各個系統配置及控制方案進行設計。③對整個智能化控制的監控界面進行開發與設計，實現了對井下全系統遠程監控。