胡家河煤礦綜放工作面自動化控制系統

王 帥，王海川，趙 武，楊皓博

(1.陜西彬長胡家河礦業有限公司，陜西 咸陽 713600；2. 陜西彬長小莊礦業有限公司，陜西 咸陽 713500)

0 引言

隨著國家科技水平的不斷發展，越來越多的智能化煤礦設備被應用到煤礦的開采中。促進煤礦工作面的智能化建設，提高煤礦開采效率已成為眼下重要的研究方向和任務。當前，煤礦中的設備雖部分已實現自動化控制，也有少部分企業逐步開展智能化礦山建設，但所建立的工作面控制系統功能相對單一，不能全面實現對煤礦設備的實時監測和遠程控制[14]。大部分企業也未開展智能化工作面的建設，整個智能化工作面建設處于初級開發階段，尚有大量工作需要開展完善[56]。為此，結合胡家河煤礦402104工作面的礦井特點，開展了該工作面中自動化控制系統的總體設計、關鍵分系統研究及關鍵儀器設備的選型設計，并將所建立的控制系統進行了實際應用，驗證了該控制系統的穩定性及可靠性，實現了對整個工作面的智能化控制，達到了預期效果。這對提高該煤礦工作面的生產效率及作業安全性具有重要意義。

1 胡家河煤礦402104工作面概述

胡家河煤礦402104工作面是402盤區布置的第3個工作面，其地理坐標范圍為X：3 891 152～3 893 345；Y：36 496 093～36 496 313。其井下具體位置為：北側為井田邊界，南側為5條大巷保護煤柱，西側為402103采空區，東側為402105綜放工作面。工作面走向長度2 180 m，傾向長度205 m，可采長度1 930 m(平距)。工作面設計4條巷道，分別為運輸巷、回風巷、高位瓦斯抽放巷和泄水巷。工作面對應地表位于彬縣魯家河，北部、南部為相對寬緩的黃土臺塬，中北部和中部為溝壑地貌，地表為小塊旱地及經濟林交替配置，地表最大標高+1 083.2 m，最低標高+897.6 m，工作面煤層埋深587～693 m，在工作面塌陷影響范圍有魯家河村部分住戶，均已搬遷。

2 自動化控制系統總體設計

根據胡家河煤礦402104工作面現場特點，綜采工作面中以單機設備自動化為基礎，采用擬人手法，把人的視覺、聽覺延伸到工作面，將在危險的工作面采場工作的工人轉移到相對安全的順槽中心，建立起一套以監控中心為核心，以工作面視頻、以太網、音頻遠控為基礎的集中自動化控制系統，包括綜采工作面監控中心、工作面視頻系統、工作面工業以太網、工作面控制模型、工作面語音通信系統等部分，實現在順槽監控中心對液壓支架、刮板輸送機、采煤機、破碎機、轉載機、膠帶輸送機、泵站、開關等綜采設備進行遠距離操控[79]；同時，通過各子系統的集成，把人的視覺、聽覺、操作延伸到工作面，實現在順槽監控中心或地面對綜采設備進行遠程操控，達到綜采工作面“少人化”甚至“無人化”的開采目的，該系統也實現了“兩人遠程操作、工作面內無人操作、一人巡視，無人定點監視”的模式。自動化控制系統硬件如圖1所示。

圖1 自動化控制系統硬件Fig.1 Hardware of automation control system

3 控制系統中關鍵分技術設計

3.1 液壓支架跟機自動化技術

根據控制系統及礦井的結構特點，設計了液壓支架自動跟機技術。在該操控模式設計過程中，結合采煤工藝，依據工作面采場頂板壓力、傾斜角度、采煤機運行狀態、液壓支架姿態等信息，將整個采煤過程劃分為不同的階段，自動決策并控制液壓支架自動跟機移架、通過LASC自動移溜等動作，實現了工作面自動連續生產[10]。液壓支架跟機自動化現場示意如圖2所示。

圖2 液壓支架跟機自動化現場示意Fig.2 Schematic diagram of hydraulic support and machine automation site

3.2 采煤機記憶截割技術

該套控制系統中采用了采煤機記憶截割功能，能對采煤機運行過程中的運行姿態、運行參數、設備運行情況進行實時記憶。按照示范刀截割過程所記錄的姿態參數、工作參數、滾筒高度軌跡進行智能化運算，形成記憶截割模板，在自動截割過程中不斷修正偏差，實現采煤機滾筒自動調高、臥底，采煤機加速和減速等功能。

3.3 遠程集中監控技術

在順槽列車上和地面分別打造 “控制臺”。實現泵站和三機的遠控操作，通過按下“一鍵啟?！卑粹o，工作面的設備依次順序自動啟動和停止。設備數據信號高速上傳和控制信號實時下達，控制延時不超過300 ms；當發現生產過程出現特殊情況時，例如工作面頂板發生變化或液壓支架未能移架到位，影響工作面連續推進時，可及時進行人工遠程干預[1112]。工作面液壓支架國產電控200個節點的遠程控制延時小于300 ms，國產采煤機的遠程控制延遲時間不大于200 ms，有效解決了采煤機和液壓支架的遠程實時控制難題。

4 控制系統中關鍵部件的選型設計

4.1 礦用本安型攝像儀選型設計

綜采自動化控制系統配備的礦用本安型攝像儀，主要采集工作面液壓支架前后視頻圖像，并通過以太網傳輸到主機或者監視器。因此，所選用的攝像儀外形尺寸為100 mm×72 mm×63 mm，工作電流為200 mA，最高分辨率為1 280×720(彩色)。儀器外部采用lumberg插頭進行連接，分為以太網接口和供電接口(殼體上有網、電標識)，分別通過(網線)conmN/4nlumbxxx/xx和(電源線)ConmN/4nlumbxxx/xx連接器接入綜合接入器，連接器長度根據實際應用環境確定。

4.2 礦用本安型綜采綜合接入器選型設計

綜采工作面綜合接入器將工業以太網技術作為核心通信平臺，綜合接入器內置嵌入式管理單元、以太網交換單元。以太網的電接口，可以接入以太網設備，如網絡攝像儀；具備CAN接口，可直接接入支架控制器；具備標準的RS232、RS485，可以接入具備相應接口的綜采設備。該儀器每隔6組液壓支架布置一臺，8C環網口相互之間通過網絡型連接器進行串聯，端頭、端尾各通過“TF型綜合接入器” 將電信號轉成光信號后再經過光纜連接到監控中心，監控中心為“2F型綜合接入器” 從而閉合成工作面千兆工業以太環網。礦用本安型綜采綜合接入器結構如圖3所示。

圖3 礦用本安型綜采綜合接入器Fig.3 Mine intrinsically safe fully mechanized mining integrated access device

4.3 監控中心中監控主機選型設計

監控主機作為工作面支架電液控制系統信息收集和傳輸的中心站，通過煤礦井下環網可將綜采工作面數據送到地面，從而可以在地面監控計算機上方便地監控、查看井下實時數據參數。其主要功能為集中管理與控制，在整個工作面生產系統中處于中心位置，功能包括信息采集，數據顯示，參數設置，數據控制，數據整理，工作面控制系統的故障判斷，信息的上傳與下達，以及符合安全條件的控制功能。監控主機內含兩套主板，通過RS232、RS422、USB接口、CAN通信接口、以及顯示器接口等，對工作面支架、輸送機和采煤機等一系列設備進行集中管理和控制。

4.4 顯示器選型設計

所選用的顯示器型號為XH12(A)顯示器，該顯示器的外殼為不銹鋼材質，使用 O 圈進行密封，該儀器防護等級達到 IP54。礦用本安型顯示器有兩個端口，如圖3(P1&P2)所示，一個端口配有快速接插光纖口，用來傳輸視頻信號，另一個端口配有一個四芯插座，用來接入12 V本安電源。整體結構小巧，安裝方便，適用于煤礦井下，可配合監控中心整體使用，也可單獨使用。

5 控制系統運行效果評價

在完成402104綜放工作面自動化控制系統的集合化設計后，將該自動化控制系統進行了實際應用評價。在系統運行時，采用了安裝在工況主機上網絡視頻監控軟件對整個控制系統進行監測和控制。通過工況主機顯示界面，能實時對液壓支架的運行過程中的數據進行實時采集及數據顯示，并向控制系統報送相關數據信息。同時，實現了在控制中心對液壓支架、泵站和三機進行集中監測和控制，并匯總了采煤機主機、三機、開關、電液控主機和泵站的監控數據，最后將這些數據分別發送給各個主機。另外，該采煤機主機也實現了采煤機的遠程控制、采煤機運行數據和采煤機故障的診斷的實時監控，并將數據在控制中心進行了顯示?，F場監控顯示界面如圖4所示。

圖4 現場監控顯示界面Fig.4 On-site monitoring display interface

整個系統運行穩定可靠，各項功能運行正常，整個過程的數據采集、監控及存儲均實時準確，達到了預期效果，所采集的設備數據信號全面。該系統的應用，提高了設備的運行效率及安全性，保障了作業人員的安全，整個環節的作業人員也大大減少，降低了企業的設備維護及人工成本，具有重要的實際應用價值。

6 結論

實現礦井工作面的智能化自動控制，已成為當前提高工作面智能化監控及設備工作效率的重要研究方向。工作面智能化的建設，不僅能提高煤礦的開采量，也能提高設備的工作效率，降低設備的故障率，是當前重要的發展方向。為此，以胡家河煤礦402104工作面為研究對象，開展了以液壓支架、采煤機、刮板輸送機等設備為基礎，包含工作面監控中心、視頻監控系統、通信系統等的自動化控制系統，并將該控制系統進行了現場應用。應用結果表明，該控制系統運行良好，數據采集精度較高，能準確的對各設備的運行數據進行實時監測，實現了設備的智能化遠程控制，提高了整個工作面的智能化程度，達到了預期效果。這對煤礦工作的智能化建設具有重要支撐作用。