智能化綜采工作面數據通訊技術的應用

2022-12-14 09:27:50焦東瑞

山西焦煤科技 2022年10期

焦東瑞

(山西焦煤霍州煤電木瓜煤礦，山西呂梁 033100)

隨著煤礦智能化綜采工作面的大范圍建設，具備獨立控制中心并擁有各類傳感器的設備或系統越來越多，要想實現統籌管理眾多設備，必須使各類設備依托于數據建立起相互之間的聯系，這就需要高效的數據交互。由于我國目前尚沒有形成統一的綜采裝備供應模式, 綜采裝備的供應廠家不同, 不同綜采裝備采用不同的通訊協議和數據接口,集控系統內部的感知信息和控制信息的傳輸與交互需要重組轉換, 嚴重影響信息交互的時效性。加之缺乏集有線傳輸與無線傳輸優勢的融合信息傳輸技術、裝備技術，造成大體量感知數據傳輸時效性差、控制與反饋信息無法實時動態響應、多源異構數據融合困難等難題[1]. 為此在建設智能化綜采工作面時需要基于可視、可監、可控為原則，實現智能化工作面連續割煤為標準，測試各系統實際工況下運行情況。本文以木瓜煤礦10-201智能化綜采工作面為背景，分析各子系統與集中控制系統集成過程中通訊系統出現的問題并提出解決方案，力求達到最優的實際應用效果。

1 10-201智能綜采工作面概述

木瓜煤礦在建設智能化綜采工作面時，集成了支架電液控制系統、采煤機智能控制系統(含慣導功能，記憶截割功能)、工作面煤流智能控制系統、多回路負荷監測系統、架間通訊系統、視頻監控系統、乳化液泵站遠程監控系統、工作面人員精準定位系統、井上下集中控制系統等，各系統由不同廠家制造，各設備通訊接口、協議各不相同，在數據層將各設備打通是實現設備聯動的基本條件，信息傳輸系統主要以以太網為核心，借助網絡傳輸技術實現煤礦井下與地面之間的信息傳輸和通信[2]，將“七國八制”通訊整合到集中控制系統，是智能化工作面建設的關鍵。各子系統與集中控制系統通訊連接圖見圖1.

2 各智能化系統與集中控制系統數據通訊集成

1) 支架電液控制系統與集中控制主機集成。

支架使用的是鄭州煤礦機械集團股份有限公司提供的ZE0704型電液控制系統，它主要由支架控制器、穩壓電源、中繼器、耦合器、驅動器、電磁先導閥、各類傳感器組成，支架控制器上可以實時顯示液壓支架工況：各支架壓力值、支架各部位傾角值，各支架推移行程、各電磁閥動作狀態、支架控制器的急停狀態，電液控制系統遠程控制功能包括液壓支架單架動作、成組動作、成組伸收護幫、成組伸收伸縮梁。

圖1 各子系統與集中控制系統通訊連接圖

支架控制器與鄰架支架控制器使用6k線連接，通訊方式CAN通訊，傳感器通過4k線使用模擬信號或者數字信號傳至控制器，中繼器、耦合器用6k線將各控制器串起來，通訊方式為CAN，具體連接情況見圖2. 工作面支架電控系統與集中控制系統主機的連接方式是：在系統端頭增加一個數據接口，電控系統通過礦用四芯通訊電纜與井下集中控制主機相連傳輸電液控所有數據，通訊方式是CAN總線。

圖2 電液控制系統通訊連接圖

2) 采煤機智能控制系統與集中控制主機集成。

木瓜煤礦MG750/1980-WD型采煤機是由上海創立生產制造，采煤機控制系統機身由ABB變頻控制器和順槽遠控中心組成，可以對采煤機工況進行遠程監測：牽引電機、截割電機電流，左右搖臂、左右牽引軸承的溫度，牽引方向及速度，液壓系統備壓壓力及泵箱內液壓油的高度，冷卻水流量、壓力，油箱溫度，左右滾筒高度、臥底量，機身仰俯角度、搖臂姿態、采煤機在工作面位置、采煤機的啟停運行狀態等。

采煤機機身主控系統與順槽主控系統采用載波通訊，由主電纜內部的通訊線傳輸信號并最終到達順槽采煤機控制中心，采煤機順槽控制中心用網線匯聚于順槽交換機，通訊方式為以太網。

3) 煤流智能控制系統與集中控制主機集成。

刮板輸送機型號為：SGZ1000/2×1200，轉載機型號為：SZZ1200/525，破碎機型號為：PLM3500(PCM400)，刮板輸送機通過順槽變頻器進行供電，轉載機與破碎機通過順槽十二回路進行供電。通過在工作面刮板機、轉載機、皮帶機上安設傳感器采集運輸煤量的數據，獲取三機各電機繞組溫度、減速機油溫、減速機油位、冷卻水溫度、冷卻水流量等信息，并結合三機的實時電流由負荷中心調整各回路開關的電流值。

系統通過屏蔽線纜，通訊方式為RS485傳輸至順槽控制主機，由順槽主機調整各設備的運行參數。實現運輸三機的速度協調聯動控制，實現煤流平衡功能。

4) 多回路負荷監測系統與集中控制主機集成。

十二回路負荷中心由干式變壓器、高壓負荷開關或高壓真空開關和低壓饋電開關或低壓保護箱組成，給采煤機、轉載機、破碎機等供電。供電系統工況顯示：負荷中心高低壓開關分合閘狀態、過流、短路、過壓、欠壓、漏電、絕緣監視、零序保護等保護跳閘等信息的遠程監測。

工作面多回路負荷監測系統將各設備的運行狀態及參數通過屏蔽線，傳輸至順槽控制主機，通訊方式為RS485.

5) 架間通訊系統與集中控制主機集成。

架間通訊系統每7架設置一個多功能話機，話機上有閉鎖功能和架間語音通話功能，架間通訊系統在順槽安裝有一個主機，順槽主機可以控制運輸三機的啟停，顯示閉鎖位置。架間通訊通過多功能纜線相連，最終與架間通訊主機連為一個整體。

架間通訊主機通過網線與集控主機相連(連接圖見圖3)，通訊方式為以太網，可以實現架間通訊主機與智能化控制系統的雙向數據通訊。

圖3 架間通訊系統連接圖

6) 智能化視頻監控系統與集中控制主機集成。

刮板機機頭機尾、轉載點、皮帶機機頭、集控倉及泵站沿線等關鍵區域配置固定點云臺攝像儀，工作面每3架安裝一臺云臺攝像儀用于動態跟蹤采煤機。

視頻監控系統視頻數據通過每臺攝像頭配備一臺本安型千兆交接機，并將工作面所有交換機用防爆網線直接相連，在通過最后一個交換機后以光纜傳輸傳送給順槽隔爆交換機，交換機再通過網線把視頻數據傳送給視頻主機，通訊方式為以太網。視頻系統與順槽集控中心的連接方式見圖4.

圖4 視頻監控系統連接圖

7) 乳化液泵站遠程監控系統與集中控制主機集成。

乳化液集中供液系統由進水過濾站、反滲透水處理設備、乳化液配比裝置、智能高端乳化液箱、智能高端乳化液泵、乳化液泵供液站、回液反沖洗過濾站組成。

乳化液泵站系統可以遠程監測：開停狀態、控制模式、泵站出口壓力、泵站油溫、泵站油位狀態、泵站電磁閥動作情況、液箱液位、乳化油油箱油位、乳化液配比濃度、水處理系統、故障報警的顯示等信息，也可以遠程開停乳化液泵。

乳化液泵主控器與3臺乳化液泵、自動配比裝置、變頻器，用以太網、CAN通訊相連，主控器光纜與順槽核心交換機相連，核心交換機用網線與順槽主機相連，通訊方式為以太網。

8) 人員精準定位系統與集中控制主機集成。

工作面人員精準定位系統由工作人員隨身攜帶的定位卡、固定于支架上的定位器、固定于支架頂梁的信號轉換器組成，由集控主機解析后在本地顯示、存儲，再將定位信息傳輸至電控系統，由電控系統實現本架安全閉鎖。

標識卡將配對的定位器與標識卡信息等通過Lora無線通訊上傳至信號轉換器，信號轉換器并將定位信息通過網線輸送至視頻交換機，視頻網絡通過網線、光纜傳輸至集控主機，通訊方式為以太網通訊。

9) 井上、下集中控制系統集成。

順槽集控中心接入工作面電控系統、視頻監控系統、采煤機電控語音集控系統、三機監測系統、泵站等監控數據，并進行集中協調控制。

井下順槽控制主機通過網線(通訊方式為以太網)與井下核心交換機相連，井下核心交換機與地面控制主機用光纜(通訊方式為以太網)相連實現井上、下數據實時共享與顯示。

3 現場通訊效果分析及改進

1) 支架電液控制系統的CAN通訊，通訊方式較穩定，出現的問題：在移架期間掉落的矸石易砸到線纜，在支架動作期間布線不合理易引起線拉扯。改進方法：架內線通過合理布線并留有裕度，架間線經過纏繞鎧裝護套降低通訊線損壞概率。

2) 采煤機智能控制系統。采煤機機身與采煤機順槽主控中心采用載波通訊極為不穩定，實際應用中采煤機通訊發生經常中斷的情況。對采煤機通訊進行改造，采煤機機身主控系統與采煤機順槽主控系統采用光纜傳輸系統，將光纜隨主電纜鋪設于電纜槽到達采煤機順槽控制中心，采煤機順槽控制中心用網線與集控主機相連，通訊方式為以太網，采用此方法經通訊測試軟件測試丟包率為0.

3) 工作面煤流智能控制系統。該系統采用的通訊方式為RS485，有多設備少線纜的優勢，缺點也很明顯，容易受諧波干擾，雖然RS485采用屏蔽線纜，依然存在通訊不穩定的情況。針對上述問題，結合智能化工作面視頻監控系統中全方位布置有交換機設備的有利條件，在原有通訊接口上增設RS485轉以太網模塊，將信息就近融入交換機，保證通訊的實際應用效果。

4) 十二回路負荷監測系統。該系統采用RS485通訊，由于實際布置設備列車時，負荷中心與順槽控制主機距離不遠，實際通訊滿足需求。

5) 架間通訊系統。本工作面使用的架間通訊為模擬信息，不支持數模轉換，該系統在工作面內通訊效果穩定。

6) 智能化視頻監控系統。視頻監控系統每兩架之間均布置有網線，移架期間容易被矸石砸斷，現場應將所有通訊線用鎧裝護套保護可有效避免線纜被砸斷的情況發生，通訊效果穩定。

7) 乳化液泵站遠程監測控制系統。該系統泵站區域采用CAN通訊，遠程監控使用光纖通訊，通訊效果穩定。

8) 工作面人員精準定位系統。該系統人員定位卡與定位標識相對位置精確，保證定位卡所處支架位置與標識位置零誤差，滿足通訊要求。

9) 井上、下集中控制系統集成。該通訊采用單獨光纜通訊，通訊穩定，滿足現場需求。

4 現場綜合應用效果

通過各系統與智能化系統集成優化和改造效果來看，由于綜采工作面變頻器、高壓電纜及鐵質設備較多，RS485通訊易受干擾，通訊效果不理想。CAN通訊在短距離通訊穩定，效果好。RJ45接口的以太網通訊短距離通訊可以實現大量數據的交互。長距離數據交互光纖通訊效果表現優異，不受電磁干擾和通訊距離限制。綜采工作面支架間無線通訊可以滿足需要。各部分通過工業現場總線、以太環網等建立數據鏈路，實現各系統數據的高效通訊。

5 結論