李春龍

（山西晉煤集團晟泰能源投資有限公司，山西 晉城 048000）

古書院礦屬于老齡化礦井，采煤機、運輸機以及提升機等重要設備工作時間長，檢修頻率較高，同時固有煤層地質情況非常復雜，需要對整個礦井設備的智能監(jiān)控展開細致深入的研究，實現(xiàn)設備操作人員減少的管理目標，以此來提升生產(chǎn)效率，降低工作風險。本文以電牽引采煤設備為對象，對該設備的工作過程和基本結構進行了細致分析，確立了控制系統(tǒng)的整體方案與核心技術，完善了該系統(tǒng)的整體結構和控制流程。

1 電牽引采煤機的基本結構及工作機理

隨著技術的進步，整個煤礦產(chǎn)業(yè)的機械化程度得到了快速提升，當前中、大型煤礦紛紛開始展開綜合機械化采煤(下文均以“綜采”代替)。眾多設備中，液壓支架、刮板輸送機以及采煤機三種設備因配合關系被稱為“三機配套”，使用中它們不僅要確保尺寸上的配合，同時還要實現(xiàn)工作過程中的協(xié)調，三者具體裝配情況可參考下圖1。

圖1 綜采工作面的“三機配套”

正常運行中，采煤機的往復運動通過左右兩側行走輪與輸送機銷軌的嚙合實現(xiàn)，兩側的油缸可以對滾筒高度進行調整確保能夠適應不同高度的煤層。設備在工作時前后兩螺旋滾筒分別對頂煤和底煤進行截割，割下的煤塊被螺旋葉片送入刮板輸送設備。通過輸送機的工作，煤塊最終從輸送機頂端卸下進入轉載機，煤塊經(jīng)破碎機破碎后由橋式轉載機輸送到帶式輸送設備，上述流程即為采煤、轉運以及運輸工作的全部過程。

2 采煤機智能控制系統(tǒng)的控制方案

牽引速度和滾筒高度的智能調節(jié)是采煤設備智能控制的兩項主要工作。高度智能調節(jié)即要求滾筒截高可以根據(jù)煤巖界面的變化而變化，從而確保設備時刻處于最大回采狀態(tài)。牽引的智能調節(jié)主要為設備橫向運動過程中的速度控制。該方面的智能控制可以提升設備對煤層變化的適應能力，確保頂?shù)装宄霈F(xiàn)變化時系統(tǒng)能夠通過調整牽引速度來減少對巖石和底板的切割并提供足夠的調節(jié)空間與時間。

下圖2展示的為整個系統(tǒng)的控制流程。通過該流程系統(tǒng)在實現(xiàn)牽引速度與滾筒高度智能調節(jié)的同時，還確保了兩者的協(xié)調。設備運行時先由人工控制切割工作，進行該過程時控制裝置會對設備的狀態(tài)和姿態(tài)進行記錄。通過對數(shù)據(jù)信息的歸類處理和智能計算，系統(tǒng)可以對下一刀的煤層狀態(tài)進行預測并生成光滑曲線作為切割滾筒跟蹤的目標。傳感裝置收集到的數(shù)據(jù)還用來對設備運行情況進行判定，設備運行出現(xiàn)問題時系統(tǒng)會開啟智能調速模式，此模式能夠對設備運行狀態(tài)進行調整從而恢復正常運行，同時令設備按照優(yōu)化后的路徑實施開采工作。當設備無法通過智能調速恢復正常運行時，系統(tǒng)會對滾筒高度和牽引速度進行協(xié)調統(tǒng)一的調控，以確保運行的安全合理與高效。

圖2 采煤機的智能控制流程

2.1 采煤機智能控制系統(tǒng)的總體結構

本文按照總體分布結構的差異，將該系統(tǒng)劃分為三個不同層次，分別是地面、順槽與機載三個監(jiān)控系統(tǒng)。機載監(jiān)控與順槽控制裝置采用了無線傳輸信號，順槽控制裝置與地面調度裝置則通過光纖連接。

2.2 采煤機機載監(jiān)控系統(tǒng)

機載監(jiān)控系統(tǒng)在采煤工作過程中非常重要，該系統(tǒng)不僅負責執(zhí)行控制指令和閉鎖保護功能，同時還用來獲取采煤機的運行與狀態(tài)等訊息。該系統(tǒng)主要包括機載控制裝置、傳感設備與本安型無線交換機三部分。

（1）機載監(jiān)控系統(tǒng)最核心的部件為控制器，該裝置在功能設計上選用了模塊形式，其中主要模塊有輸入、數(shù)據(jù)處理、故障處理、狀態(tài)評測以及智能控制、煤層分布邊界預測、網(wǎng)絡通訊和輸出等等。硬件方面系統(tǒng)選用了SIMATIC S7-300系列，此系列硬件能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時可以進行系統(tǒng)的后續(xù)擴展。

（2）傳感器是該系統(tǒng)中的另一關鍵性部件，為了更好地實現(xiàn)智能化控制，采煤機的各個重要位置都裝有傳感裝置。眾多傳感器融合組成了整個傳感系統(tǒng)，它們提供的實時數(shù)據(jù)是實現(xiàn)智能控制的重要條件。下表1記錄了各個傳感器的對應目標和數(shù)據(jù)應用方向。

表1 采煤機智能控制系統(tǒng)的各傳感設備

2.3 采煤機順槽監(jiān)控系統(tǒng)

順槽監(jiān)控系統(tǒng)是聯(lián)系地面監(jiān)控與機載監(jiān)控兩系統(tǒng)的核心樞紐。通常順槽集控中心被設置在工作面運輸巷內(nèi)，其主要作用是接收控制器采集的各項數(shù)據(jù)，并將收到的數(shù)據(jù)進行處理和轉存之后發(fā)送給地面與機載兩個監(jiān)控系統(tǒng)。

順槽監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與傳輸功能是由多個平臺聯(lián)合實現(xiàn)的，其中主要包括WinCC、視頻以及數(shù)字化三維虛擬現(xiàn)實這三項監(jiān)控平臺和MESH網(wǎng)絡管理平臺。這些平臺統(tǒng)一由順槽集控中心的主控計算機控制運行，其中利用S7協(xié)議WinCC可以直接獲取到隔爆型順槽控制器內(nèi)的相關數(shù)據(jù)訊息，工作人員由此可以實時掌握采煤機的運行情況。通過OPC虛擬現(xiàn)實監(jiān)控平臺同樣能夠及時獲取設備的運行參數(shù)，利用三維模型平臺能夠清晰模擬出工作面的實時工作狀況。

2.4 采煤機地面監(jiān)控系統(tǒng)

地面監(jiān)控是整個智能系統(tǒng)的終端部分，它集合了數(shù)據(jù)存儲以及命令控制和狀態(tài)檢測三個方面的終端功能。順槽監(jiān)控內(nèi)的訊息利用專門的以太網(wǎng)傳送給地面監(jiān)控，地面監(jiān)控中心有一臺專門的服務器和四臺工控機來負責處理各項數(shù)據(jù)。其中四臺工控機分別作為MESH管理系統(tǒng)和三個監(jiān)控系統(tǒng)的主機，服務器主要負責對智能控制系統(tǒng)的各項數(shù)據(jù)進行儲存。下圖3即為地面監(jiān)控系統(tǒng)開機運行時顯示的實時界面。

圖3 采煤機地面監(jiān)控系統(tǒng)的運行界面

3 分級數(shù)字化監(jiān)控方案的現(xiàn)場驗證

本次試驗選擇晉煤集團旗下的古書院礦作為試驗對象，試驗目的為深入驗證智能控制系統(tǒng)運行過程中，各個模塊的整體穩(wěn)定性和相互之間的協(xié)調性。具體試驗位置為編號153302綜采工作面第25刀處。此處煤層波動起伏表現(xiàn)明顯，尤其是頂板部分，經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)煤層厚度最大處約2.2m，最大傾角17°，選擇此處進行試驗可以實時監(jiān)測設備自動截割的效果。如下圖4所示，為獲得更精確的試驗參數(shù)，本次試驗不僅安裝了課題組開發(fā)的本安式無線交換機，同時還更換了控制系統(tǒng)，增添了高頻電流、位置、傾角等多個傳感器。

自動截割過程簡述如下：機載PLC首先接收到本次動作的目標路徑，然后采煤設備根據(jù)路徑訊息開始截割動作。相關參數(shù)如圖5（a）所示，滾筒自動運行過程中，高度由初始值3.22m上升達到3.54m，該過程截割電機的電流值始終保持穩(wěn)定并且不超過45A，狀態(tài)閡值表現(xiàn)穩(wěn)定且不超過2，此時設備屬于正常狀態(tài)。設備行進到46.11m至47.12m部分時，右搖臂滾筒出現(xiàn)大幅度振動，電流值瞬時增高，人工檢查發(fā)現(xiàn)該區(qū)域煤層內(nèi)混有矸石，因為與目標路徑參數(shù)存在差異所以導致設備運行狀態(tài)出現(xiàn)變化，此區(qū)域截割完成后煤層恢復正常，采煤設備繼續(xù)按照目標路徑運行，此時電流值降低，恢復到45A左右，設備運行狀態(tài)恢復正常。該過程滾筒高度變化曲線可參考圖5(a)，運行狀態(tài)曲線可參考圖5(b)。根據(jù)傳感器獲取的各參數(shù)進行計算比較發(fā)現(xiàn)，設備運行中兩滾筒的運行路徑同目標路徑相比絕對誤差始終處于0.05m以內(nèi)，因此可以確定該截割過程完全符合工程要求。

圖4 采煤設備增添的部分傳感器

圖5 采煤機自動截割曲線變化

4 結束語

本文對采煤機運行機理和主要結構進行了研究分析，確立了一種智能化的控制系統(tǒng)，同時給出了系統(tǒng)的控制方案和基本工作流程，對該智能系統(tǒng)的幾項核心技術進行了簡單介紹，主要分為跟蹤截割路徑、評測運行狀態(tài)和智能協(xié)調控制三個方面。按照分布結構上的差異，本文將系統(tǒng)劃分了三個不同層次，它們分別是地面、順槽與機載三個監(jiān)控系統(tǒng)。實際工作時這三個系統(tǒng)并不是孤立運行，它們相互之間利用工業(yè)以太網(wǎng)和無線網(wǎng)絡進行聯(lián)系。