綜采工作面集中控制系統的設計

高志勇

(西山煤電 西銘礦 綜采三隊，山西 太原 030052)

0 引言

目前國產的綜采設備都有與之配套的監測和自動控制系統，已經基本實現了半自動化的機械化采煤，但是整體的協調控制還需人工干預，自動化程度不高。人工手動操作誤差較大，稍有不慎將可能導致誤操作從而引發嚴重的井下安全事故。在對采煤機、液壓支架、刮板輸送機、轉載機、破碎機等綜采設備及其監測和自動化系統進行綜合分析調研后，研究了一種綜采工作面集中控制系統，能夠提高煤炭生產的自動化水平，提高煤礦企業的安全性。

1 集中控制系統結構

現階段，大部分煤礦綜采工作面的各種綜采設備都具備各自獨立的控制平臺，各個分散的控制平臺依托人工配合形成了相互配合、各自獨立的控制系統。綜采工作面集中控制系統將原有的分散控制系統整合起來，使得集中控制系統內所有設備的運行信息能夠相互融合，綜采工作面所有設備在這個控制平臺內進行統一調度。圖1為綜采工作面集中控制系統結構框圖，整個系統結構自上而下可以分為三層：①綜采設備層，主要包括采煤機、液壓支架、刮板輸送機、轉載機和破碎機、帶式輸送機和攝像頭；②綜采設備機載控制系統層，對應于綜采設備層的設備，機載控制系統指的是采煤機系統、電液系統、三機監測系統、帶式輸送機監控系統和視頻系統;③順槽計算機控制系統,該系統是位于順槽的服務器，其功能是對綜采設備的狀態顯示和監測數據處理，并形成一套完整的生產工藝流程。三層系統的通訊方式采用TCP/IP，交換機的作用是分配機載控制器的網絡。

圖1 綜采工作面集中控制系統結構框圖

2 集中控制系統功能

綜采工作面集中控制系統的功能可分為監測功能和控制功能兩大類。

2.1 監測功能

監測各種綜采設備的狀態和運行信息是實現控制功能的基礎。各綜采設備的控制系統監測數據分散在各控制平臺，相互比較獨立，不便于實現集中控制。如：采煤機控制系統采集的采煤機位置、滾筒高度和截割電機電流電壓等信息；電液控制系統采集的前后立柱壓力、行程等參數信息；三機監控系統采集的電機轉速、電流、溫度和軸承溫度等信息；帶式輸送機監控系統采集的煤量、打滑和跑偏等信息；井下攝像頭采集的設備工作畫面等。集中控制系統將上述所有信息通過可靠的通訊網絡上傳至順槽控制中心，方便操作人員對整個綜采工作面進行監測。

2.2 控制功能

綜采工作面集中控制系統可以實現就地控制和遠程控制。煤礦操作規程規定，為了保護檢修工作人員，綜采工作設備在檢修狀態時禁止遠程操作。因此當某一部分設備處于檢修狀態時，集中控制系統應當將操作權限下放到機載控制器，此時設備只能就地控制。遠程控制是綜采工作面集中控制系統的核心功能，其可分為手動遠程控制、半自動遠程控制和全自動遠程控制。手動遠程控制適用于綜采工作面煤層結構復雜，采煤機和液壓支架動作不連續的情況，如采煤機、液壓支架、運輸三機、帶式輸送機和攝像頭的各種基本動作均能實現手動遠程操作。半自動遠程控制是全自動遠程控制的基礎，如系統綜合工作面的煤流工藝、保護工藝和控制工藝，可在一定范圍內連續自動作業；一鍵啟停、采煤機調速和自動換向、滾筒高度控制和視頻跟機等功能均屬于半自動遠程控制。全自動遠程控制是一種完全不需要人工干預的控制方式，將人工智能技術應用于集中控制系統中，目前還處于研制階段。

3 協同控制策略

綜采工作面集中控制系統的核心是實現采煤機、液壓支架、刮板輸送機、破碎機、轉載機和帶式輸送機的動作協調配合，提高煤炭生產的自動化水平。

(1) 綜采設備一鍵啟停控制及閉鎖保護。為了實現“逆煤流啟動，順煤流停止”，各設備操作人員通過喊話進行配合。根據生產規程，集中控制系統能夠實現采煤機、刮板輸送機、轉載機、破碎機和帶式輸送機一鍵按序啟動，并在每個設備啟動時發出15 s預警，作業完成后，當系統確認運輸設備上無煤時，綜采設備按照上述順序停機，為下次啟動作好準備。

(2) 采煤機姿態自動調整。采用工藝段編號的方式實現采煤機姿態調整，即工作人員提前在上位機設定工藝段，通過采煤機位置信號判斷當前作業工藝段和運行方向，然后向采煤機發送姿態調整控制指令。

(3) 采煤機和液壓支架協同控制。采煤機和液壓支架的協同控制非常復雜，液壓支架跟機控制包括同向幫護板回收、反向支架移駕、支護和推鎦。液壓支架系統通過紅外測距裝置判斷采煤機位置，然后由集中控制系統判斷支架編號和采煤工藝，向對應支架發出動作指令。

(4) 視頻跟機控制。視頻跟機系統是順槽控制中心的視覺延申。為了減少攝像頭數據量，集中控制系統可以根據采煤機位置實時選擇攝像頭的開閉，結合攝像頭編號即可實現視頻跟機控制功能。

(5) 三機載荷控制。為了防止刮板輸送機過載，將刮板輸送機的電流信號和采煤機速度結合起來，有效控制了采煤機的落煤量。載荷控制不但能夠防止刮板輸送機堆煤，而且還能避免長時間輕載，提高了其運輸效率。

4 集中控制系統軟件

工控軟件可以選擇匯編語言、面向對象高級語言等進行設計，但目前最為流行的還是組態軟件。綜采工作面集中控制系統采用了西門子公司開發的視窗控制中心，該視窗控制中心性能全面、技術先進，且具有開源的特點，為本系統的界面設計、綜采工作面機載控制器通信網絡、過程值歸檔等提供了便利。界面設置包括操作控制、實時監測、實時曲線、報警記錄和參數設置等界面。機載設備控制器與上位機之間通過TCP/IP進行通信，通信的可靠性是集中控制可靠性的前提。過程值歸檔指的是系統運行時，現場各項數據能夠暫存在數據庫中，經系統處理后可存儲在歸檔數據庫中。通信軟件架構如圖2所示。

圖2 通信軟件架構

5 結束語

依托于采煤機、液壓支架、刮板輸送機、破碎機、轉載機和井下綜采工作面攝像頭及其監測與控制系統，綜采工作面集中控制系統能夠實現綜采工作設備狀態監測和就地、遠程控制。井下綜采工作面無需人員喊話進行配合操作，能夠提高綜采工作面的自動化水平，提高采煤效率和安全性。