智慧綜采工作面回采設備控制系統研究

摘要：介紹了智慧綜采工作面回采設備控制系統的功能，闡述了該控制系統的結構及配置情況，分析了三機控制流程、供液系統控制流程及采煤機割煤控制流程，為其他礦井的智慧綜采工作面建設提供了參考。

關鍵詞：智慧綜采工作面;回采設備;控制系統;采煤機

0 引言

傳統的綜采設備控制主要采用人工手動控制方式，存在效率低、作業人員多等問題，為此眾多煤炭企業開始應用智慧綜采工作面。智慧綜采工作面不僅可以提升煤炭開采效率，而且可以降低作業人員勞動強度，減少人員數量，保障煤炭的安全開采。然而，智慧綜采工作面在應用過程中仍存在諸多問題，本文主要針對綜采設備的智能化控制進行研究。

1 控制系統功能

智慧綜采工作面回采設備控制系統包括集中控制中心、各子控制設備，主要功能是實現采煤機記憶割煤、液壓支架跟機運行以及對運輸設備和乳化液泵站等的集中監控。

1.1? ? 井下集中控制

在回采巷道內布置的集中控制中心（以下簡稱集控中心）是智慧綜采工作面回采設備控制系統的核心，由集控操作臺、數據處理主機、日志主機及視頻主機等構成，其中數據處理主機用于采集、處理供電系統、乳化液泵站、采煤機、支架等的運行數據。集控中心對回采設備進行遠程監測。

1.2? ? 采煤機遠程控制

采煤機控制子系統包括無線Wi-Fi通信系統、采煤機、慣導系統、電控系統等，幫助實現采煤機記憶割煤，采煤機運移位置根據布置在液壓支架上的紅外傳感器、D型齒輪傳感器進行定位、校正，通過慣導系統監測采煤機行走路徑。

1.3? ? 電液控制

電液控制系統實現對液壓自動降架、移架以及升級控制，同時實現成組推移刮板輸送機、伸縮護幫板、自動噴霧降塵等，并監控支架立柱壓力、千斤頂行程、采煤機行走路徑、方向等，并在電液控制系統控制主機上顯示相關參數，控制結果同步傳輸至地面監控中心。

1.4? ? 電力控制

電力控制系統由三機（轉載機、刮板輸送機、破碎機）及帶式輸送機供電控制系統、組合開關以及控制器等構成，可對1 140 V、3 300 V供電回路進行遠程分合閘，具備故障報警及狀態監測等功能，并對供電回路中的電流、電壓、功率以及故障保護系統中的短路、斷相、漏電等情況進行監測。

1.5? ? 視頻監控

遠程視頻監控系統由回采巷道、采面內的視頻監測設備構成，實現對采煤機、破碎機、轉載機以及巷道進行監測。在組合開關、乳化液泵站等位置均布置有攝像機進行固定監視，在液壓支架上布置的攝像機采用跟機自動切換模式，通過采集采煤機位置信息，自動打開對應的支架攝像機，使遠程操控司機能掌握采煤機運行狀態。

1.6? ? 供液控制

綜采工作面供液系統由地面/井下乳化液供液系統、過濾站、乳化液箱以及相應的流量/溫度/壓力傳感器等構成。高壓沖洗過濾站、回液過濾站對乳化液進行清潔、過濾，同時高壓沖洗過濾站可實現自動化控制，當乳化液壓力不足或者濾芯嚴重堵塞時，乳化液泵站自動停泵報警，供液系統可實現對乳化液溫度、流量以及乳化液箱液位等的實時監測，從而確保整個供液系統能平穩運行。

2 控制系統結構及配置

智慧綜采工作面回采設備控制系統構成如圖1所示。

2.1? ? 集控系統

集控中心包含有6個客戶終端，其中有3個視頻終端、3個數據終端。視頻終端用于對采煤機及周邊、轉載點及液壓支架的視頻監控;數據終端用于對支架、采煤機等數據的監測。

2.2? ? 采煤機控制子系統

采煤機控制子系統主要設備包括繼電器、S7-300 PLC控制器、供電電源及控制按鈕等。I/O控制用于采煤機截割電機、液壓電機、牽引電機的啟停等控制;保護監測主要是對供電系統電壓、截割電機電流、牽引泵電流、變頻器電流、電壓等的監測;控制監測主要是對采煤機位置、割煤高度、搖臂傾角、變頻器轉距等的監測。采用慣導系統監測采煤機移動位置。采面每隔8～10架液壓支架安裝1臺Wi-Fi通信模塊，模塊間采用有線連接方式，從而解決無線Wi-Fi的切換、覆蓋問題，最后采用無線網絡將采煤機、液壓支架等的數據傳輸至巷道集控中心內。

2.3? ? 電液控制系統

電液控制系統核心為ZDYZ-ZA控制器，通過連接電磁閥控制液壓支架各液壓油缸的伸縮量;電液控制系統與各監測傳感器（壓力、位移以及紅外接收器等）相連，掌握液壓支架各個部位姿態信息。壓力傳感器采集立柱支承壓力，在支架升、降，補充乳化液時提供壓力監測信號;位移傳感器監測支架推移量;紅外傳感器實現對采煤機的精準定位。

2.4? ? 電力控制系統

電力控制系統控制器為S7-1200 PLC，采用CM1241通信模塊與1 140 V、3 300 V組合開關通信，從而控制采面三機（轉載機、刮板輸送機、破碎機），實現對運輸巷內等位置帶式輸送機的運行狀態監測及遠程控制。

2.5? ? 視頻監控系統

每隔1臺支架安裝1個正對煤壁的攝像機，每隔6臺支架安裝1個豎向攝像機，從而對采面內設備運行情況進行全方位監控。集控中心可顯示3個視頻畫面，具體為帶式輸送機運行畫面、采面橫向視頻畫面以及采煤機位置視頻畫面。采面、回采巷道視頻監測信息通過工業以太網與綜合接入器連接進行傳輸。

2.6? ? 供液控制系統

供液控制系統控制器為S7-1200 PLC，用CM1241模塊接入綜合接入器，通過RS485與核心交換機連接。各類傳感器監測乳化液箱液位、供液系統壓力及流量，監測結果通過輸入隔離模塊處理后傳輸至S7-1200 PLC控制器，控制器指令通過繼電器輸出模塊控制各類閥組的啟閉。供液系統構成如圖2所示。

3 控制程序

3.1? ? 三機控制流程

控制系統采用的三機控制程序流程如圖3所示，該程序可以對三機負載按照預定邏輯進行啟停控制，實現故障信息采集及預警等。設備的邏輯控制是整個三機控制程序的主要內容，具體可細分為設備集中控制、單獨控制以及點動控制3種類型，集中控制即通過集控中心啟、停按鈕實現對三機的集中啟動、停止;單獨控制即單臺設備獨立控制，每臺設備有一個對應的啟、停按鈕;點動控制即按鈕按下時設備運行，按鈕放開時設備停機，一般用于設備檢修，啟動、停機時間間隔短。

3.2? ? 供液系統控制流程

供液系統中采用單泵控制方式控制乳化液泵運行，即對乳化液泵進行一鍵啟停控制。系統初始運行時，先檢測乳化液箱內液位、濃度、壓力，檢測值在符合系統啟動要求時，即可在集控中心的客戶端上開啟循環泵。

3.3? ? 采煤機割煤控制流程

遠程控制的采煤機割煤控制流程如圖4所示，整個控制過程分為人工學習、自動割煤以及遠程干預等環節。

采煤機自動割煤過程中，采用攝像頭監測采煤機割煤高度、煤層變化情況，根據現場情況干預采煤機割煤。若需要改變采煤機跟蹤曲線，則在集控中心進行遠程干預，采煤機按照重新覆蓋的跟蹤曲線運行。

4 結語

智慧綜采工作面回采設備控制系統綜合了傳感器、計算機、故障診斷以及自動控制等技術，可以實現對回采設備的智能化控制。礦井1208綜采工作面采用智慧綜采工作面回采設備控制系統后，作業人員在回采巷道的安全位置即可實現對采煤機、液壓支架、刮板輸送機等回采設備的遠程、智能控制，實現了綜采工作面的遠程、無人化開采，顯著減少了采面工作人員數量，提高了企業經濟效益。

收稿日期：2020-07-14

作者簡介：丘慶林（1992—），男，福建武平人，助理工程師，技術員，從事智慧礦山建設工作。