采煤工作面設備智能聯動控制應用研究

▊ 文/張利剛 李 波 陳靖承

近年來，我國煤礦智能化建設不斷加速，煤礦智能化正逐步走向規范化及標準化，根據國家規劃，到2025年全部大型煤礦將基本實現智能化，但煤礦智能化蓬勃發展的同時，智能采煤系統仍然存在各系統之間交互融合與協調配合差、不能多系統聯動進行智能協同分析決策等問題。通過應用采煤工作面設備智能聯動控制技術，將有力提升采煤工作面設備智能控制的總體水平，使工作面設備向著成套智能化控制的方向發展，減少單班工作人員數量，提升采面安全條件，降低職工勞動強度，提高礦井經濟效益。

一、研究背景

我國井工礦綜采工作面智能化技術發展分為3個階段。第1階段為獨立單元自動化控制階段，典型標志為單機可視化遠程干預控制；第2階段為采面自動化階段，典型標志為工作面自動移架、找直，采煤機記憶割煤與控制；第3階段為基于透明地質的智能化開采階段，典型標志為在建立三維地質模型條件下實現無人開采。與之相對應，依據設備自動化應用的寬度和廣度、時間和空間、設備的協調能力、故障自愈能力、視頻監視范圍等因素，綜采工作面智能化控制系統也可以分為初級、中級、高級3個等級。

總體而言，目前我國煤礦綜采工作面智能化發展尚處于第1階段，大多數煤礦智能化綜采工作面是初級智能化控制系統，雖然也有部分煤礦采用基于采煤機記憶截割、液壓支架自動跟機移架、刮板輸送機變頻調速、全景視頻拼接等技術，實現了“有人巡視、無人值守”的自動化開采，但工作面精準地質建模、工作面人員與設備精準定位、基于煤層厚度變化與識別的智能截割、液壓支架與圍巖智能自適應支護，尤其是綜采設備群智能協同聯鎖控制等技術仍尚待突破，我國的煤礦綜采工作面智能化建設任重道遠。

二、研究目標

項目以智能化為核心，對煤礦地質條件、裝備進行研究，以智能礦山為依托，建設智能控制平臺等，研究適應于煤礦條件的“三機協同”、俯仰導向、增強型防碰撞等功能為核心，將工作面裝備融合到智能化大平臺中，為工作面提供智能化成套解決方案。主要是通過支架跟機自動化、工作面設備集中控制、煤流負荷控制等功能，進一步提升礦區綜采工作面自動化、智能化水平。

三、研究內容

1.“三機”聯鎖控制技術

在智能采煤工作面，“三機”的作用不僅僅是運輸煤炭、刮板輸送機的搭建以及確定采煤機的行走軌道這三方面，還要實現轉載機、破碎機、刮板輸送機間啟停時的互鎖控制，其中，刮板輸送機更是綜合機械化采煤中不可缺少的主要設備。“三機”連鎖控制系統分為兩部分。

（1）多點、多維度監控（自動張緊、各類傳感器監測）和啟動（變頻啟動、液力耦合器啟動）系統，并預留多種通信拓展接口。

（2）智能聯鎖啟停控制系統，設備的順序啟停、閉鎖控制與采煤工作面設備較為獨立，即一套“三機”設備可以配套多種集控系統。本項目主要實現轉載機、破碎機、刮板輸送機間啟停時的互鎖控制。

2.采煤機與工作面“三機”負荷平衡智能控制技術

通過接收各測量點煤量負載信息，由工作面控制中心根據負載及數據分析，結合多點煤量掃描、實時功率算法及綜合參數算法實現單元負荷智能控制。根據采煤機截割、牽引電機的電流和溫度，刮板輸送機電機電流溫度以及泵站、“三機”等其他相關數據，由地面服務器智能分析煤流實時負荷，根據負荷情況，調節各設備轉動速度等。工作面單元設備故障停機時，智能閉鎖采煤工作面系統。例如，當刮板輸送機故障停機時，智能實現對帶式輸送機、破碎機、轉載機、采煤機等按邏輯關系順煤流閉鎖停機的功能。

（1）煤位傳感器原理。GUH2.5礦用隔爆兼本安型紅外煤位傳感器，適用于煤礦井下爆炸性氣體環境。煤位傳感器以“各點煤流量”為對象，包含刮板輸送機、轉載機、破碎機、帶式輸送機等“煤流流經設備”，可以實時掃描煤流的斷面形狀，通過精確算法，得出實時煤量，并將數據通過多種通信端口傳給控制器或顯示器。煤位傳感器通過紅外掃描部件，實時采集各個角度上的紅外線測距離；通過主控板對這些反饋數據進行積分運算和差值運算，獲得所測煤流的形狀、剖面積、高度等信息；通過多種通信接口，將流量信息提供給煤流控制系統，實現礦用運輸電機的實時精準變頻。

（2）煤位傳感器安裝。煤位傳感器為紅外掃描設備，應吊裝固定在需檢測煤流斷面中點的正上方0.8～2.5m處。測量窗向下，沿測量窗長邊對著煤流斷面以50～100Hz的頻率往復掃射。煤位傳感器安裝位置如圖1所示。

圖1 煤位傳感器安裝位置示意圖

依據圖1，煤位傳感器要安裝在煤流橫向面的中線上，傳感器和測量窗的安裝高度要滿足傳感器掃描的角度范圍，能夠覆蓋整個煤流的橫向范圍，也就是圖1的測量面的寬度。

3.采煤機與噴霧系統聯動控制技術

隨著大采高工作面開采割煤、運輸、設備前移等動作強度的增大，產生的煤塵量也大幅增加。采煤機啟動牽引電機后，自動開啟采煤設備噴霧和支架噴霧功能，當采煤機停止牽引電機后，噴霧泵可自動停止噴霧。采煤設備噴霧聯動控制技術具有多點同時噴霧、延時噴霧、自動噴霧等功能，能夠有效控制煤塵的擴散。

4.一鍵啟停控制

在地面生產指揮控制中心操控平臺按下啟動、停止按鈕，可以自動控制采煤工作面泵站、帶式輸送機、破碎機、轉載機、刮板輸送機、采煤機的順序啟停；軟件采用邏輯算法，根據設備之間的互聯互鎖關系，進行設備的順序邏輯啟停控制，通過工業環網實現對采煤工作面設備的遠程一鍵控制。一鍵啟停控制技術實現了啟停過程全自動化，啟動和停止流程遵循“逆煤流啟動，順煤流停止”原則。

四、研究創新點

首次采用人機智能融合控制的生產模式，通過多點煤流實時測量，經服務器邏輯運算，對工作面采煤機、刮板輸送機、破碎機、轉載機、帶式輸送機、泵站等主要設備進行智能控制，有效提升了采煤工作面整體裝備的智能化水平，是我國采煤裝備重大科技成果的集中體現，體現了我國工業化和信息化的水平。

五、結論

采煤工作面設備智能聯動控制應用研究主要是進行“三機”聯鎖控制和采煤機與“三機”的負荷平衡智能調節控制兩方面的研究，為智能化采煤工作面提供了成套的解決方案。

（1）研究適用于煤礦的轉載機、破碎機、刮板輸送機，實現“三機”智能協同、聯鎖控制。

（2）研究建立“三機”為一體的智能閉鎖采煤工作面系統，并在此系統增加煤位傳感器，采集煤流煤量實時數據，再結合采煤機和“三機”動作時的相關實時數據，智能分析煤流的實時負荷，根據負荷情況，自主對相關單元進行調節，從而實現采煤機與“三機”的負荷平衡智能調節控制。