綜采工作面綜合智能控制系統的研究

賈輝敏

（大同煤礦集團挖金灣虎龍溝煤業有限公司， 山西 大同 038600）

引言

煤炭生產過程中，采煤機實施的破煤、落煤與裝煤和液壓支架推溜動作都會增加刮板輸送機的承載負荷。同時液壓支架的移架速度會對采煤機截割速度產生限制，泵站的供液能力又對液壓支架的推移速度產生影響，因此，綜采工作面單機設備在發揮著各自功能的同時又相互關聯、相互影響和相互依存，因此必須使回采工作面單機設備相互匹配、協調作業才能實現回采工作面的安全，高效、智能生產。

1 綜合智能自動控制系統的組成及其工作原理

1.1 組成

SAM型綜采工作面綜合智能控制系統是由傳輸、數據集中存儲處理、遠性遙控及視頻監視等部件組成。綜采工作面綜合智能控制系統是由綜合接入器、網絡交換機、路由器、隔爆計算機、遠程操作臺，云臺攝像儀等組成。工作面的“大三機”通過破煤、落煤、裝煤和運煤等工序完成工作面的產煤過程。在工作面煤炭生產過程中，“大三機”受生產設備、采煤工藝、地質條件等環境因素的影響，同時在生產過程中也作用于各種環境因素，改變著生產環境條件，如割煤過程中會增加瓦斯濃度等。

1.2 工作原理

SAM型綜采工作面綜合智能控制系統工作原理系統是由綜合接入器將綜采工作面單機設備信號通過高速以太網傳送到上順槽的監控中心的隔爆計算機上進行數據的匯集，通過生產流程、采煤工藝、設備功能性能將單機設備關聯起來，構建智能控制模型使綜采工作面控制系統具備學習的能力，能夠實現工作面設備與設備、設務與環境、設備與采煤工藝的有機融合，實現工作面設備的綜合皆能控制。

2 SAM型綜采工作面綜合智能控制系統關鍵技術

2.1 以煤流負荷、空間和環境參數為主線的智能控制

依據刮板輸送機電流負荷數、自動調節采煤機割煤速度，實現采煤機割煤裝煤和液壓支架推溜裝煤與運輸系統能力參數相匹配與自適應控制，實現以煤流負荷參數為主線的智能控制。在液壓支架護幫板上安裝接近傳感器，以判定液壓支架護幫板是否收回，以保證工作面設備在空間場中不會發生干涉現象，實現以空間參數為主線的智能控制。在工作面生產過程中，粉塵、瓦斯、礦壓等影響工作面生產安全的因素在不斷發生著變化。為了工作面安全生產，工作面生產過程中必須依據這些環境因素的變化來進行設備的控制。通過對工作面瓦期、粉塵、通風、頂板壓力、采煤速度等多維度的綜合分析，建立以瓦斯、礦壓為控制主線的模糊控制模型，實現以安全、高效產煤為主要目標的最佳決策控制[1-2]。

2.2 以工作姿態為主線的智能控制

為使工作面生產過程中保證工作面的直線度，通過在液壓支架上安裝找直傳感器，可以實現工作面液壓支架的實時自動找直，也可以使用在采煤機上安裝陀螺儀，自動描繪出采煤機的運行軌跡，或是通過工作面上加裝的攝像儀，在液壓支架或刮板輸送機上設定標識，通過視頻圖像識別的方式進行工作面姿態智能控制。

2.2.1 精細化控制

由于液壓系統采用大流量閥控制，以及電磁閥的滯時因素，電液換向閥動作延時緩沖瓣時間長，導致液壓支架的控制精度下降，這主要體現在液壓支架在推移過程中，液壓支架與刮板輸送機之間銷耳間隙對工作面直線度產生一定的影響，同時在工作面進行調直時容易產生過沖。在進行移架、推溜，工作面找直調整時采用節流方式降低推移動作速度，以便精確地控制單位時間內推移動作的行程，建立高效快速準確的液壓支架控制伺服系統，實現工作面找直的精細化控制。

2.2.2 直線度控制

在液支架移架過程中會由于上串下滑，支架歪斜，行程傳感器誤差累計等原因造成連續多刀割煤后工作面支架不齊，不能夠滿足工作面“三直兩可”的要求。實現工作面的直線度控制有實時在線控制和離線控制兩種方式，其中實時在線調直方式可以采用找直傳感器，通過橫向測距，以完成支架移架動作后的支架為定位目標，實現液壓支架的實時在線對位找直。這種方法實時性好，不會有誤差累計的問題。離線的方式是描繪出直線度偏移情況，在事后進行調直補償的方式，可以通過在采煤機上安裝慣件導航系統，將采煤機割煤過程中的運行軌跡描繪出來，也就是將工作面刮板運行姿態進行描繪，然后通過液壓支架進行定量補差控制，從而實現工作面直線度面控制。

2.3 設備自適應控制

綜采工作面設備能力的發揮在很大程度上受運行環境條件的限制。為此，綜合智能控系流將依據不同的環境條件，根據相關設備的歷史數據分析，增加自學習能力，液壓支力下降等條件下仍然能夠使液壓支架推移控制質量達標，從而實現液壓支架自適應智能控制。根據在同等條件（包括采煤機速度，泵站供液壓力，頂底板條件）下完成液壓支架推移速度，判斷當前的自動跟機移架、推溜質量是否達標，如果發生偏移將自動化修改參數，直到調整的參數能夠滿足要求。

2.4 視頻智能監視

2.4.1 工作面視頻系統控制

1）視頻功能。當液壓支架實現采煤機跟機自動化控動能時，受到工作面頂底板條件等周圍復雜環境因素的制約，需要進行單個液壓支架的調整。因此，必須有液上支架移過中完整的視頻信息，才能實現無人化工作面液壓支架的遠程控制。

2）數字網絡高清視頻系統。數字高清視頻系統，即基于以太網的壓縮高清視頻應用網絡傳輸結合攝像儀的IP地址的視頻系統。

2.4.2 視頻系統智能化功能

1）攝像儀智能清洗。通過圖像識別模型智能識別視頻攝像儀污染度，當攝像儀鏡頭被污染時，自動進行清洗。

2）目標智能追蹤。可以依據采煤機位置、移動中的液壓支架位置，自動調節云臺攝像儀角度，實現采煤機視頻追蹤和監視。

3）視頻全景拼接。通過采煤機視頻信號可得到具有重合區城的視頻關鍵幀，可采用視頻全景拼接技術得到采煤機的全景圖像和視頻。一般通過4個正像攝像頭圖像拼接出完整的采煤機，攝像頭之間視野畫面內具備重疊區域，當采煤機在運動時，從四個攝像頭中同時得到四個視頻畫面，根據四個視頻畫面中的疊區域進行兩兩圖像拼接（即攝像頭1畫面和攝像頭2畫面拼接，攝像頭2畫面和攝像頭3畫面進行拼接，像頭3畫面和攝像頭4畫面進行拼接，最后統一坐標變換，將得到的3個子拼接結果圖融合成最終的一個全景圖），從而得到采煤機的全景圖像并實時顯示。

2.5 自動控制與人工干預相結合的智能控制

1）數據通信。綜合接入器為綜采工作面有線，無線通信信號接入傳輸裝置，可以通過綜合接入器將不同設備、不同接口的數據通過以太網高速傳輸鏈路傳送到上順槽監控中心進行集中處理。

2）工作面三維虛擬現實。通過構建綜采工作面和場景的二維模型進行渲染形成三維動畫。通過綜采工作面設備運行數據支撐三維模型的運動，可以通過不同的視角觀察工作面設備的運行狀態，觀察設備之同的相互空間位置關系。

3）遠程集控與一鍵啟停智能控制。綜采自動化系統受到工作面自然地質環境的影響，建立模型引入三維地理信息系統，精確描繪當前的三維采場空間，當工作面開采和推進時，能夠實時更新三維空間數據；采用高精度三維導航技術，實時測量采煤機在三維采場空間模型的姿態和位置，按照記憶截割事先設定的動作參數，實現采煤機閉環運動和精準割煤；研發了安全感知、搖臂調高、俯仰采和調偽斜等產品技術。為解決當采場地質環境發生較大變化時，現有傳感控制精度不能滿足自動化要求的問題，創新性地引入了人機協同規避工作面壞境和圍巖的非線性擾動，可遠程進行人工實時干預進行輔助決策。

3 實施效果

大同煤礦集團挖金灣虎龍溝煤業15205示范工作面于2017年8—10月安裝了綜采設備及SAM型采工作面綜合智能控制系統，2017年11月工作面正式投產，完成了工作面設備安裝，于2018年2月進行了系統調試，2018年3月正式示范應用。從實踐應用情況來看，以上新技術的應用及各先進系統的合理銜接，在實際生產過程中獲得了較好的應用效果。挖金灣虎龍溝煤業公司15205大采高工作面通過傳統方式開采每班需要11人，通過SAM型采工作面綜合智能控制系統的實施，工作面只需5人，開采作業人員減少了60%，生產效率得到了極大的提高。