無(wú)人工作面智能采煤機(jī)電控系統(tǒng)研究

（國(guó)家能源集團(tuán)國(guó)電建投內(nèi)蒙古能源有限公司察哈素煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017200）

煤炭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對(duì)我國(guó)工業(yè)發(fā)展具有重要的推動(dòng)作用，近年來(lái)，無(wú)人工作面開(kāi)采逐漸受到煤炭行業(yè)的重視。自動(dòng)化技術(shù)在煤礦開(kāi)采工作中得到廣泛應(yīng)用。合理利用多種智能化技術(shù)開(kāi)展煤礦開(kāi)采操作有利于提升煤礦企業(yè)管理實(shí)效性。在無(wú)人工作面應(yīng)用采煤機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)，已成為國(guó)內(nèi)外采礦行業(yè)研究的重要課題。

一、概述

無(wú)人采礦利用目前最先進(jìn)的技術(shù)，包括地下通訊，工藝設(shè)計(jì)，采礦系統(tǒng)，采礦工藝包括自動(dòng)鑿巖，自動(dòng)裝巖，自動(dòng)卸巖等，技術(shù)基礎(chǔ)是高速地下通訊系統(tǒng)與高精度地下定位，無(wú)人工作面采煤技術(shù)是工作在回采工作面以外的地點(diǎn)操控機(jī)電設(shè)備，完成工作面的破煤、裝煤、運(yùn)煤等各項(xiàng)工序。無(wú)人采礦開(kāi)采范圍廣，包括薄煤層可實(shí)現(xiàn)刨煤機(jī)無(wú)人自動(dòng)化采煤，利用無(wú)人工作面開(kāi)采高瓦斯煤層實(shí)現(xiàn)瓦斯的預(yù)先釋放，保證生產(chǎn)安全。利用現(xiàn)代科技豐富改進(jìn)傳統(tǒng)開(kāi)采水平，無(wú)人工作面在先進(jìn)完善的頂板監(jiān)控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)下進(jìn)行。實(shí)現(xiàn)資源的合理化配置，生產(chǎn)過(guò)程采用先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)，生產(chǎn)能力大，效率高。

二、采煤機(jī)電控系統(tǒng)

（一）整體設(shè)計(jì)

1.車(chē)載控制及監(jiān)測(cè)單元。采煤機(jī)車(chē)載控制及監(jiān)測(cè)單元主要包括：本地監(jiān)測(cè)部分。主要功能是獲得采煤機(jī)運(yùn)行中的各種工作參數(shù)，包括：電氣系統(tǒng)監(jiān)測(cè)模塊、傳動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)模塊、液壓系統(tǒng)監(jiān)測(cè)模塊、采煤機(jī)姿態(tài)及位置監(jiān)測(cè)模塊和環(huán)境系統(tǒng)監(jiān)測(cè)模塊；采煤機(jī)中央控制部分。采煤機(jī)中央控制單元主要實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的煤巖識(shí)別算法及記憶截割算法，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化采煤；運(yùn)行控制部分。基于采煤機(jī)中央控制單元的指令，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的運(yùn)行控制，比如采煤機(jī)起動(dòng)、停止，升／降滾筒，左／右牽引等翻；通信部分。完成采煤機(jī)本機(jī)和順槽控制單元、遠(yuǎn)程控制單元之間冗余通信及數(shù)據(jù)交換。

2.遙控控制單元。采煤機(jī)用遙控發(fā)送器是用來(lái)發(fā)射一定頻率的高頻信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)遙控接收器接收后，轉(zhuǎn)換為CAN 總線(xiàn)信號(hào)，與采煤機(jī)電控箱通訊，從而實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)各種控制功能的設(shè)備。左，右遙控功能需要具備左行、右行、牽停、主停、左佑升、左／右降、左／右加、左佑減等功能。

3.順槽集中控制單元。采煤機(jī)操作人員可以在順槽集中控制臺(tái)，利用視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)采煤機(jī)手動(dòng)控制終端控制采煤機(jī)的各種工作順槽集中手動(dòng)控制單元主要包括順槽防爆計(jì)算機(jī)、采煤機(jī)手動(dòng)控制平臺(tái)、通信單元等。

4.地面遠(yuǎn)程控制單元。通過(guò)煤礦井下光纖環(huán)網(wǎng)、工業(yè)以太網(wǎng)、工作面視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以在地面監(jiān)控中心遠(yuǎn)程控制綜采工作面采煤機(jī)的工作。地面遠(yuǎn)程控制單元主要包括遠(yuǎn)程監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、uPs電源、避雷器等。

（二）數(shù)據(jù)采集單元硬件設(shè)計(jì)

該數(shù)據(jù)采集單元主要包括：傳感器數(shù)據(jù)連接插排、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、ARM核心處理器、CAN 總線(xiàn)通信模塊、Rs485 總線(xiàn)通信模塊、以太網(wǎng)通信模塊、電源轉(zhuǎn)換單元等。

1.模擬數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)。R43 為150 n 是采樣電阻，4mA～20mA 的電流從AIN3 口進(jìn)入以后，轉(zhuǎn)變成0.6V～3 V 的電壓，再經(jīng)過(guò)由LM358 運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)的電壓跟隨器，電壓轉(zhuǎn)變到LM358 的1 號(hào)引腳，R63 是起到抑制電流過(guò)大的作用，防止過(guò)大的電流對(duì)后面集成芯片的損害。

2.據(jù)采集單元軟件設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集單元的軟件功能設(shè)計(jì)主要有兩方面的作用：為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)對(duì)采煤機(jī)工作情況監(jiān)測(cè)，在采煤機(jī)上布置穩(wěn)定、可靠的工業(yè)傳感器，通過(guò)采煤機(jī)的采集板進(jìn)行狀態(tài)匯總，上報(bào)給采煤機(jī)主控板，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的工作參數(shù)監(jiān)鋇口及采煤機(jī)姿態(tài)位置監(jiān)測(cè)，保證整個(gè)無(wú)人工作面能夠安全、高效、穩(wěn)定運(yùn)行；為了采集用戶(hù)的操作動(dòng)作(操作桿、按鈕等)，轉(zhuǎn)換成控制指令，然后通過(guò)CAN 總線(xiàn)或485 總線(xiàn)發(fā)送到采煤機(jī)運(yùn)行的控制板上，由控制板解析命令以控制采煤機(jī)的運(yùn)行。

三、無(wú)人工作面技術(shù)應(yīng)用

以某礦業(yè)介紹數(shù)字化無(wú)人開(kāi)采技術(shù)的應(yīng)用，采煤工藝選用綜采，全部挎落管理頂板，根據(jù)礦壓參數(shù)選取工作面設(shè)備，ZY3300 電液控鄰架操縱，SGZ630/220 工作面刮板運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸能力450t/h,.SPJ-800 膠帶輸送機(jī)運(yùn)輸能力350t/h，監(jiān)控系統(tǒng)采用超低照度，廣角視頻監(jiān)控系統(tǒng)，采煤機(jī)采用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，集中控制室內(nèi)放置視頻檢測(cè)，三級(jí)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備。采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)采用嵌入式工控機(jī)處理采煤機(jī)運(yùn)行姿態(tài)信息，采煤機(jī)司機(jī)在集控中心室通過(guò)安裝探頭提供的采煤機(jī)信息實(shí)現(xiàn)搖臂傾角，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自動(dòng)化無(wú)人干預(yù)割煤進(jìn)刀前，通過(guò)采煤機(jī)工控機(jī)采煤機(jī)割煤，程序自動(dòng)記憶割煤數(shù)據(jù)，激活技藝割煤功能。采煤機(jī)司機(jī)確認(rèn)范刀可用煤機(jī)將讀取采煤機(jī)歷史運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)系統(tǒng)提供的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，可通過(guò)采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)隨時(shí)結(jié)束記憶割煤功能。

工作面液壓支架采用pm32 電液控制系統(tǒng)，由井下主控計(jì)算機(jī)，紅外線(xiàn)發(fā)射器，耦合器，網(wǎng)絡(luò)終端器，架間電源電纜，電磁先導(dǎo)閥等組成。電液控制系統(tǒng)具有跟機(jī)自動(dòng)化，領(lǐng)架操作與手動(dòng)操作等工作方式。液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化功能以采煤機(jī)位置為依據(jù)，由采煤機(jī)機(jī)空外線(xiàn)發(fā)射器與支架安裝紅外線(xiàn)接收器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，紅外接收器將檢測(cè)采煤機(jī)位置信息傳給主控系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)采煤機(jī)位置信息自動(dòng)發(fā)出命令指揮支架控制器完成操作。受到采高限制等因素影響時(shí)，需采用割頂破底開(kāi)采，會(huì)出現(xiàn)采煤機(jī)鎬型截齒消耗快，CIA面積裝煤效果差等情況，通過(guò)加大滾筒螺旋升角，加設(shè)采煤機(jī)梨煤板可有效解決。

采煤機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)實(shí)現(xiàn)高效無(wú)人化開(kāi)采提供了有效途徑。對(duì)保障生產(chǎn)安全，由勞動(dòng)密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。采煤自動(dòng)控制技術(shù)對(duì)煤層地質(zhì)條件要求較高，較適用于頂板穩(wěn)定的工作面，否則需改用人工操作。為提高無(wú)人開(kāi)采工作面的生產(chǎn)效率，需進(jìn)一步研究應(yīng)用多傳感器智能截割控制技術(shù)等新技術(shù)，提高對(duì)復(fù)雜煤層的適應(yīng)能力。