智能化工作面采煤機自動監控系統的分析與應用

郝鑫波

（晉能控股煤業集團地煤公司青磁窯礦， 山西 大同 037007）

引言

采煤機是智能化綜采工作面的核心裝備之一，是實現煤礦高產高效安全開采的核心設備，是智慧礦山建設的重要組成部分。采煤機的機械化、自動化、數字化運行意義非常重大。當前煤礦井下智慧工作面采煤機在進行自動記憶截割作業時應用缺陷較多，常需要人工進行干預，采煤機監控系統較為簡單，無法對采煤機記憶截割作業提供有效的幫助，必須進行優化改進。為實現采煤機截煤作業時相關參數信息的準確采集、智能分析和有效控制，設計了以自動記憶截割為基礎的采煤機自動監控系統，該自動監控系統在青磁窯礦8608 智能化工作面進行了工業性試驗，應用效果理想。

1 采煤機自動監控系統整體架構

采煤機自動記憶截割技術是千萬頓級智能化綜采裝備關鍵技術之一，但從當前的應用實踐來看，在復雜的井下地質環境當中，采煤機自動記憶截割技術的應用缺陷較多，實踐應用中的自動化程度仍然較小。對采煤機自動監控系統的優化改進設計，主要是對采煤機自動記憶截割技術應用中的運行狀態和參數進行實時監控，能及時有效地發現自動記憶截割技術運行中的問題，并對其進行及時處理。

本次優化改進設計后的自動監控系統整體架構如圖1 所示。主要包括S7-300PLC、傳感器、WinCC、CPS41 通信模塊、機身參數采集模塊、控制參數采集模塊、故障報警模塊等[1-2]。傳感器將采集到的機身參數和控制參數數據信息傳輸給PLC 處理模塊，通過PLCS7-300 分析處理，進而完成采煤機在記憶截割作業過程中的實時監控。當采煤機出現故障后，故障報警系統會發生預警警報，同時完成對采煤機機身位置、仰俯角、擺動角度及上/下滾筒搖臂的傾斜角度等參數的采集存儲，為采煤機自動記憶截割技術提供參考。優化改進后的采煤機自動監控系統能對采煤機自動記憶截割技術的實踐應用提供技術支持，能有效地提高智能化工作面的智能化開采水平。

圖1 采煤機自動監控系統整體架構示意圖

2 PLC 硬件選型設計

2.1 PLC 選型

PLC 控制單元是采煤機自動監控系統和核心，負責采煤機機身參數和控制參數的采集和處理，故障報警的生成、啟停聯鎖保護、記憶截割。綜合考慮選擇西門子S7-300 型PLC，CPU 為314C-2PTP 中央處理單元。PLC 控制器各功能外端接線如下頁圖2 所示。

圖2 PLC 控制器外端接線示意圖

2.2 通信模塊選型

選用S7-300 串口CP341 通信模塊，可通過點對點連接進行通信數據交換。CP341 通信模塊設有1 個RS485 串行通信口，硬件均集成了ASCII 驅動協議，即，通信最大距離為1 200 m。CP341 通信模塊的應用可PLC 與上位機之間進行數據信息交換及遠程操作控制，實現通信功能。PLC 控制系統的網絡采用Profibus-DP 進行組網，是一種國際性的、開放式的現場部線標準[3-4]。

3 監控系統軟件設計

對采煤機自動監控系統平臺軟件進行設計，其工作流程如圖3 所示。

圖3 采煤機自動監控系統工作流程圖

對于采煤機自動監控系統軟件的設計，主要是從監控系統采集數據、自適應記憶截割、故障報警和人工修正四大部分進行。采煤機進行記憶截割作業時主要分為以下四大步驟：

1）由人工操作控制采煤機進行截割作業示范，并且通過采煤機自動監控系統對采煤機運行時的機身各部位相關參數進行采集，在PLCS7-300 控制系統分析處理后，將人工操作采煤機進行截割作業示范時的運行軌跡進行記錄存儲[5]。

2）在進行記憶截割時，把記錄存儲到的軌跡信息加載在PLCS7-300 控制上，進而發出記憶截割作業指令，完成自動記憶截煤作業。

3）基于井下綜采工作面環境因素影響，在采煤機自動記憶截煤作業時，還需要對相關參數進行人工調整修正，進而提高采煤作業的安全性和可靠性。

4）當監控系統采集到的采煤機工作參數出現異常變化時，會對采煤機運行姿態進行自適應調整。調整過后，如截割軌跡信息與原截割運行軌跡數據偏差較小，則認為是正常情況，采煤機可按調整后的軌跡繼續正常運行。調整過后，如果截割軌跡信息與原截割運行軌跡數據較大，則無法繼續進行截割作業，采煤機故障報警系統動作，發出預警警報，人工干預，對相關異常情況進行處理后再進行后續的截割作業。

4 工業性試驗應用效果

4.1 工程概況

晉能控股煤業集團地煤公司青磁窯礦位于大同市區西12 km，十里河下游北岸，礦井井田南北長4.5 km、東西寬約2.2 km，面積為10.885 1 km2。礦井核定生產能力為120 萬t/年，批準開采侏羅紀2-2、3 號、7-1、11-1、12-2、14-2 共6 層可采煤。開拓方式為立井-斜井混合開拓方式。共有6 個通向地面的井筒，分別為主井、副井、新東山回風斜井、新進風斜井、材料斜井和竹林寺回風立井。開采方式按水平進行集中開采，各煤層中部布置集中大巷，集中大巷的東、西兩側分盤區進行開采。井下運輸大巷、運輸順槽全部采用帶式輸送機運輸，工作面采用刮板運輸機運輸；輔助運輸利用軌道、蓄電池電機車和調度絞車運輸；人員利用兩部猴車和平巷人車往返于2 號層、7 號層和11 號層。

4.2 實踐應用及效果分析

在“機械化換人、自動化減人”持續推進的背景下，集團公司將青磁窯礦8608 工作面建設成為智能化工作面，實現智能化綜采，在長達200 m 的工作面內，煤流順著運輸機流出來，整個工作面只有機巷集控室一個工作人員進行操作。將采煤機自動監控系統在8608 智能化工作面進行了安裝調整，并進行了實踐應用。

采煤機自動監控系統工作過程中可以對采煤機運行狀態下的機身數據進行實時采集。采集數據主要包括上、下截割電機的電流、溫度參數，上、下牽引電機溫度參數，上、下搖臂傾角參數，機身擺動角參數、俯仰角參數，油箱溫度參數，油壓參數，油位參數，變頻器的電流、溫度、母線電壓、牽引力參數，系統電壓參數，牽引方向參數，內腔溫度參數，牽引電機溫度參數，截割電機負荷參數，液壓泵牽引電流參數等。同時對采集到的采煤機工作時的參數可以實現可視化，為采煤機實現自動記憶截煤作用的自動化奠定了基礎。采煤機自動監控系統采集數據與8608 智能化工作面采煤機生產現場實時作業數據基本一致，充分說明采煤機自動監控系統的應用是合理可行的。可以有效提高采煤機自動記憶截煤作用的準確度和自動化程度，能有效降低采煤機的故障率，能有效地提高其維修效率。

5 結語

基于采煤機自動記憶截煤基礎設計了綜采工作面采煤機的自動監控系統，該系統在青磁窯礦8608智能化工作面進行了工作性試驗。試驗結果表明：采煤機自動監控系統運行正常，實時采集到的采煤機運行數據與實際運行數據基本相符，采煤機自動監控系統的應用合理可行。采煤機自動監控系統的應用有效地提高了8608 智能化工作面的開采效率，降低了采煤機設備的故障率，為實現青磁窯礦高產高效安全的開采目標奠定了基礎。