智能化采煤工作面采煤機自動監控系統的設計與應用

李春華 孫 曉 寧 權

（陜西長武亭南煤業有限責任公司，陜西 咸陽 713600）

煤礦綜采工作面的無人化是實現煤礦高產高效安全開采的基礎，主要是指綜采工作面實施智能化控制功能，實現了工作面無人操作開采。主要技術特征有采煤機智能控制，采煤機可以自己定位，計劃軌跡，碰見煤矸石自動躲避，基于產量要求和機器負荷調整速度等；通過智能感知和視頻監控系統傳送的工作面圖像，人工遠程實時干預，只需要極少數的人現場巡視檢查，人身安全得到了極大的保障。采煤機是整個無人化開采系統中的關鍵設備，記憶截割技術是實現智能化、無人化開采的必備條件[1]。

亭南煤業智能化采煤工作面原采煤機進行自動記憶截割作業時存在需要人工干預、數據采集不準確、無法實現實時監控等問題，針對性設計了用于采煤機自動記憶割煤的監控系統[2]，并將該自動監控系統應用于亭南煤業2408 工作面進行實際運行測試，效果理想。

1 工程概況

1.1 概況

亭南煤業礦井位于陜西省咸陽市長武縣城東20 km 處的亭口鎮亭南村附近，井田面積35.5 km2，地質儲量39 883 萬t，可采儲量18 429 萬t，設計生產能力450 萬t/a，服務年限30.7 a。該礦目前開采侏羅系4 號煤層，埋深401.32～788.60 m，一般500～700 m，煤層厚度1.00～23.24 m，煤層平均厚度11.05 m，煤層傾角為2°～7°，煤層平均傾角為5°。礦井布置有主立井、副立井、進風立井和回風立井，采用中央分列式通風方式，抽出式通風方法，即主立井、副立井、進風立井進風，回風立井回風[3]。

亭南煤業井下回采工作面采用ZF8600/24/45 四柱低位放頂煤液壓支架，采用MG500/1200-AWD交流電牽引采煤機，采用SGZ880/800 型前后刮板輸送機，整體采煤機械化程度為100%[4]。

1.2 自動記憶截割應用中的問題分析

亭南煤業在原智能化工作面智能化采煤作業中采用了自動記憶截割技術，采煤機控制系統實時采集工作面采高、傾角、俯仰角、速度、方向等信息，并以5 cm 為間隔做即時映射，生成截割曲線模型。從智能化工作面現場實踐情況來講，這種傳統自動記憶截割技術無法實現采煤機的全自動化截煤，采煤機自動記憶截割運行期間，大部分時間內仍然需要進行人工干預，如工作面出現條件變化，依靠無盲區視頻監控，人工干預調整截割高度并修正曲線模型[5]。另外原自動記憶截割技術中所求采煤機自身各參數信息沒有辦法實現實時在線監測，如工況發生大的變化則會導致采煤機發生故障，采煤機停機檢修影響設備的自動化程度[6]。

針對亭南煤業采煤機自動記憶截割技術中存在需要人工干預、數據采集不準確、無法實現實時監控、自動化程度落后等問題，設計用于采煤機智能化自動記憶割煤監控系統，在液壓支架上安裝紅外傳感器，在采煤機上安裝D 型齒輪傳感器和帶慣性組件的導航系統，可對采煤機截煤作業運行期間機身參數進行實時監測和調控，可提高采煤機記憶截煤精準程度和降低采煤機的故障發生率[7]。

2 自動記憶截割原理及記憶策略

2.1 自動記憶截割原理

亭南煤業智能化工作面采煤機自動記憶截割可劃分人工操作截煤示范階段和采煤機自動記憶截割階段。人工操作截煤示范階段：采煤機在進行第一次截煤作業時需要人工輔助操作，現場工作人員需要手動控制采煤機完成機頭→機尾→機頭的1 個循環截煤，將該循環截煤期間采煤機自身運行數據進行采集并儲存；采煤機自動記憶截割階段：以示范階段采煤機運行數據為依據，進一步調整采煤機運行姿態，實現采煤機自動化截煤[8]。

新設計的自動監控系統自動記憶截割原理如下：采煤機自動記憶截割如圖1 所示，采用自動監控系統在整個綜采工作面按照等距采集采煤機截煤一刀煤過程中的運行數據，當采煤機完成第i刀后將采集到的運行數據進行存儲。在采煤機進行下一刀（第i+1 刀）時可根據上一刀（第i刀）的運行數據進行采煤機運行姿態的自動調控。第i+1 刀結束，在進行第i+2 刀作業時如作業工況發生重大變化，通過自動監控系統實現對采煤機自適應調整。將自適應調整后的數據做為第i+3刀的截煤依據[9]。

圖1 自動記憶截割示意圖

2.2 記憶截割數據信息采集原理

自動監控系統需要對采煤機常規點、特殊點、關鍵點數據進行信息采集，為采煤機自適應調控提供依據。采煤機截割作業過程當中自身工作參數及自動記憶截割數據的采集是同時進行的，兩者常規采樣點均按采煤機行走等距離定點進行。

2.3 自動記憶方案策略

采煤機截割作業時采集數據較多，系統無法及時對采集的所有信息進行存儲，為有效實現采煤機的自動記憶截割作業，防止關鍵信息丟失，有必要制定有效的自動記憶方案策略，在保證采煤機正常自動記憶截割基礎上盡量優化記憶點減少數據的存儲空間。

記憶方案策略：采煤機記憶截割作業過程中，記憶節點主要有常規記憶點、關鍵記憶點和特殊記憶點。對于常規記憶點全部采取等距離方案進行數據點記錄；接收調整采煤機工作狀態的節點為關鍵記憶點，關鍵記憶點為記憶點的核心組成部分；對于采煤機自身出現異常的節點為特殊記憶點，即采煤機進行自適應調整控制時的節點。采煤機記憶截割作業過程中對采集數據信息數量和種類進行優化，實現常規記憶點、關鍵記憶點和特殊記憶點的有效結合，提高監控系統存儲空間的有效利用。

3 采煤機自動監控系統整體架構

井下工作面工作環境惡劣，有必要對采煤機監控系統進行優化設計。第一可以提高采煤機記憶割煤的自動化程度，減少工作人員工作量，實現無人化和少人化作用；第二可以對采煤機進行全面監控，最大程度降低采煤機發生故障概率，提高采煤機的工作效率。

采煤機自動監控系統整體架構設計目標：設計一種基于記憶割煤方法采煤機自動監控系統，對采煤機截煤作業運行期間機身各部分參數進行實時監測和調控，提高采煤機記憶截煤精準程度和降低采煤機的故障發生率。

自動監控系統整體架構如圖2，主要有WinCC、Profibus-DP、S7-300PLC、機身參數采集模塊、控制參數采集模塊、CP341 通信模塊、各類傳感器等部件。各類傳感器將采集數據信息傳輸給PLC 控制器，信息處理后通過Profibus-DP 現場總線與上位機完成數據通信，實現采煤機自動記憶截割作業信息數據的實時監控。當采煤機運行過程中出現故障后，自動監控系統監測到后會進行故障報警，及時進行維修保養處理。該自動監控系統可實現的監控內容主要有油位、變頻器母線電壓、左截割電機電流、右截割電機電流、牽引泵電流、變頻器電流、內腔溫度、油箱溫度等。

圖2 自動監控系統整體架構

4 自動監控系統 PLC 硬件選型和軟件設計

4.1 PLC 硬件選型

4.1.1 PLC 選型

該采煤機自動監控系統選用SIEMENS S7-300 PLC， CPU 313C-2 PTP，緊湊型CUP 含MPI，16數字量輸入/16 數字量輸出，3 個高速計數器（30 kHz），集成接口RS-485，集成24 V DC 電源，128 kB 工作存儲區。該SIEMENS S7-300 PLC 可適用于惡劣的工作環境，在煤礦等領域實現低成本的解決方案。PLC 外端接線如圖3 所示。

圖3 PLC 外端接線示意圖

4.1.2 通信模塊選型

設計中選取CP341 通信模塊， 以實現點對點通信，參數分配點對點通信。CP341 通信模塊設置有RS-485 集成串行接口，最遠通信距離可達1200 m。CP341 通信模塊通過Profibus-DP 實現與上位機的通信。

4.2 自動監控系統軟件設計

采煤機自動監控系統控制流程如圖4。

圖4 采煤機自動監控系統控制流程示意圖

該采煤機自動監控系統中，應用模塊化的設計思想，將其設計為監控系統數據采集、自適應記憶截割、監控報警和人工修正四大部分。

監控系統數據采集：基于記憶截割的監控系統初始化→記憶截割模式與否→人工截割示范→采集機身與控制參數→數據處理→路徑展開→路徑記憶。自適應記憶截割：數據記憶→路徑跟蹤→截割狀態異常與否→自適應調控→數據異常與否→路徑變化過大與否→控制輸出。如數據異常而會觸發故障報警，實現監控報警功能，下一步人工設置參數進行人工修正處理。

5 實踐應用效果分析

采煤機自動監控系統設計完成后，經亭南煤業2408 智能化綜采工作面實際運行測試，該自動監控系統可實現對采煤機截煤作業運行期間機身各部分參數進行實時監測。自動監控系統監測結果及現場實際數據情況見表1。

表1 2408 智能化工作面自動監控系統監測結果及現場實際數據情況

從表1 數據可知，亭南煤業2408 智能化綜采工作面采煤機在記憶截割作業過程中，設計并應用的采煤機自動監控系統能實現對采煤機自身工作參數及自動記憶截割數據的實時監測，實現了采煤機自動記憶割煤作業的智能化。經對比，通過監控系統監測得到的采煤機運行數據與采煤機現場實際運行數據一致，設計方案合理可行，可應用于采煤機記憶截割作業。

6 總結

針對亭南煤業智能化采煤工作面原采煤機進行自動記憶截割作業時存在需要人工干預、數據采集不準確、無法實現實時監控等問題，在采煤機記憶截割的基礎上，設計了一種基于SIEMENS S7-300 PLC 控制器為核心的用于采煤機自動記憶割煤的自動監控系統。該自動監控系統在亭南煤業2408 工作面進行實際運行測試，對采煤機運行期間機身各部分參數進行實時監測和調控。主要表現為以下優點：1）降低了采煤機故障發生率，提高了采煤機的工作效率；2）提高了采煤機記憶截割精準度，記憶截割的智能化程度大幅度提高，能實現綜采工作面的無人化開采。