礦井采煤機自動化控制系統(tǒng)的設計與應用

王 超

（山西西山煤電股份有限公司馬蘭礦， 山西 古交 030205）

引言

綜采工作面是礦井生產的核心，對綜采工作面進行自動化控制是現(xiàn)代化礦井實現(xiàn)生產管理現(xiàn)代化的關鍵[1-2]。通過綜采工作面自動化項目的實施，探索在放頂煤工作面實現(xiàn)放煤自動化、生產過程自動化、管理信息化的技術路線，為放頂煤工作面自動化開采積累經驗。

1 總體方案的設計

綜采自動化系統(tǒng)是將采煤機控制系統(tǒng)、支架電液控制系統(tǒng)、工作面運輸控制系統(tǒng)、三機通信控制系統(tǒng)、泵站控制系統(tǒng)及供電系統(tǒng)有機結合，實現(xiàn)對綜合機械化采煤工作面設備的協(xié)調管理與集中控制。如圖1所示：系統(tǒng)主要由三部分組成，包括綜采單機設備層（第一層）、順槽監(jiān)控中心（第二層）、地面（第三層）。

圖1 綜采自動化系統(tǒng)結構圖

2 采煤機自動化控制系統(tǒng)的設計

所研究工作面采用的是德國艾柯夫SL500系列采煤機且不對外開放遠程控制權限，綜采自動化控制系統(tǒng)僅能實現(xiàn)采煤機的工況顯示，而采煤機的遠程控制功能完全由采煤機本身的控制系統(tǒng)實現(xiàn)[3-4]。

2.1 采煤機數據的實時傳輸、控制及保護

采煤機配套一臺順槽控制計算機，該計算機與采煤機控制系統(tǒng)之間進行通訊，獲取采煤機相關信息。

采煤機在順槽的監(jiān)控系統(tǒng)對外提供百兆以太網通訊接口向綜采自動化控制系統(tǒng)提供數據。通過該接口，可以方便、高效地實現(xiàn)采煤機與集控中心的數據傳輸，為礦井自動化及工作面綜采自動化控制系統(tǒng)運行奠定基礎。

通過上述配置結構，可以建立采煤機到順槽的雙向高速通訊系統(tǒng)，使采煤機的各種工作數據及保護數據傳輸到順槽控制計算機，在順槽控制計算上顯示。并可以在采煤機機載視頻系統(tǒng)的輔助下，通過順槽監(jiān)測計算機控制采煤機的一系列動作。順槽控制計算機提供的對外接口也可以與綜采自動化系統(tǒng)主機建立雙向通訊，實現(xiàn)在綜采自動化主機上對采煤機的工況監(jiān)測功能。

2.2 智能控制系統(tǒng)

采煤機操作控制可以分為基本操作控制、遠程監(jiān)控、自主運行控制三種控制方式。

2.2.1 采煤機的基本操作控制

采煤機可以通過機身面板按鈕、端頭站、遙控器等三種方式實現(xiàn)對采煤機的操作控制。其中端頭站和遙控器由前后滾筒處的司機操控，方便根據工作面情況及時調整采煤機運行狀態(tài)，機身面板按鈕由主司機操控，主要控制采煤機啟動、采煤機運行狀態(tài)及故障信息查詢、故障復位等操作，也可以控制采煤機的行走狀態(tài)。

2.2.2 采煤機的遠程控制

采煤機可以通過自身的通信線將采煤機的運行狀態(tài)、視頻及故障等信息傳輸到順槽監(jiān)控主機，可在順槽監(jiān)控系統(tǒng)視頻的輔助下實現(xiàn)對采煤機的遠程控制。通過順槽監(jiān)控主機可將數據上傳到工作面綜采自動化主機上，如下頁圖2所示。在礦井網絡建設完善的情況下，數據可以上傳到地面調度室顯示并且能通過采煤機控制軟件在地面實現(xiàn)遠程控制。同時，操作人員可以在順槽監(jiān)控主機處調閱并修改采煤機控制系統(tǒng)相關參數，減少檢修時間，避免開蓋送電造成的危險性。

2.2.3 采煤機的自主運行控制

采煤機自主運行控制系統(tǒng)有兩種不同的自動化模式：記憶截割模式、隨動截割模式。

1）記憶截割模式：記憶截割模式的設計是重復已存儲了的采煤機的運行動作。采煤機司機為了采取修正措施，可以中斷采煤機自動運行功能。采煤機由采煤機司機操作運行，相關數據被存入采煤機內的計算機存儲器中。在記憶截割模式下，采煤機自動重復在示范刀截割模式下存入采煤機內計算機存儲器中的所有運行動作。在記憶截割模式下采煤機自動駕駛，操作可暫時中斷，以便采煤機司機修正搖臂動作。

2）隨動截割模式：采煤機割煤時，工作面被開采出恒定的開采高度。采煤機的前滾筒由司機手動控制，而采煤機的后滾筒則由計算機控制。如果配備擋煤板和破碎機，則為手動控制。采煤機后滾筒目標截割高度是，采煤機機身長度減去預設定工作面開采范圍之后的前滾筒正在截割的高度。如果采煤機司機將前滾筒抬高或降低，后滾筒也會根據前滾筒相應地自動抬高或降，但在時間上有一個機身長度行程的滯后。在采煤機反向行駛時，采煤機在行駛一個機身長度行程之后便可以啟動。

3 采煤機自動化功能的實現(xiàn)

3.1 監(jiān)測功能

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(tǒng)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，采煤機在工作面的位置。采煤機監(jiān)控系統(tǒng)對外提供一路以太網接口，接入到綜采自動化控制系統(tǒng)的以太網交換機內。艾柯夫公司采用MODBUS TPC/IP通訊方式向綜合自動化控制系統(tǒng)提供數據。

3.2 采煤機遠程控制功能

本工作面采用德國艾柯夫采煤機，并且采煤機配置了順槽監(jiān)控主機，由于監(jiān)控系統(tǒng)體積較大，故暫放置于監(jiān)控中心的另一端（專為艾柯夫、JOY預留的位置），而艾柯夫提供一路以太網接口給綜采自動化系統(tǒng)，通過MODBUS TCP協(xié)議向綜采自動化系統(tǒng)發(fā)布采煤機數據，但艾柯夫采煤機不開放控制接口，采煤機的遠程控制由采煤機自身的控制臺實現(xiàn)，方案如圖3所示。

圖2 采煤機與綜采自動化控制系統(tǒng)數據傳輸連接圖

圖3 采煤機與綜合自動化系統(tǒng)連接圖

4 采煤機自動化系統(tǒng)應用前景

該采煤機主要應用于放頂煤工作面。到目前為止，所有放頂煤支架放煤口都是人工操作的，從而造成放煤速度慢，放煤效果受操作人員經驗的制約。在該項目中主要的技術難點在于研究煤巖識別與自動放煤等關鍵技術，以提高放煤的可靠性，提高生產效率，并能夠在今后的放頂煤工作面進行大規(guī)模的推廣。

通過實施，可達到以下三點效果：一是將工人從操作工變成巡檢工，由設備自動化替代人工勞動，大大降低了工人的勞動強度；二是將工人從危險的工作面采場解放到相對安全的順槽監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心對設備進行遠程操控，提高了工人的安全系數。三是通過放煤自動化功能的實現(xiàn)，提高生產效率、降低工人勞動強度，為放頂煤工作面自動化開采積累經驗。該項目的順利實施將對采煤業(yè)有著較大的影響。

5 結語

采煤機自動化技術打破了以成套單機裝備為主、總體協(xié)調思路，建立了以成套裝備總控制網絡信息綜合決策為主、單機裝備為執(zhí)行機構的體系結構。采用最新自主研發(fā)的煤巖識別傳感器進行煤巖的監(jiān)測，采用接入支架電液控制的方式，達到控制自動放煤的效果。采用記憶的方式將工人放煤的規(guī)律進行記錄，在同一地質條件下達到自動放煤的效果。