唐會成

(中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

近年來，隨著數(shù)字化、信息化、智能化礦井建設(shè)的提出，大量新設(shè)備的不斷涌現(xiàn)以及新技術(shù)的運(yùn)用，促使煤礦采掘設(shè)備自動化水平得到了飛速發(fā)展。綜采工作面通過可視化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化等技術(shù)的初步運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了煤炭生產(chǎn)的自動化。而短壁工作面由于生產(chǎn)環(huán)境惡劣、生產(chǎn)過程復(fù)雜、場所分散、設(shè)備移動頻繁等原因，沒有成熟、有效的自動化應(yīng)用[1]。

目前，短壁工作面在生產(chǎn)過程中每臺設(shè)備至少配備一名專職操作人員。設(shè)備之間都是相對獨(dú)立的個體，操作人員不能及時了解其他設(shè)備的工作狀態(tài)，導(dǎo)致設(shè)備不能高效、有序工作，常常造成生產(chǎn)和運(yùn)輸脫節(jié)，并容易發(fā)生堆煤、碰撞等事故。短壁工作面區(qū)域自動化就是通過傳感器、無線通信等技術(shù)運(yùn)用，把多個生產(chǎn)環(huán)節(jié)和多臺設(shè)備作為一個整體，以實(shí)現(xiàn)采、裝、運(yùn)協(xié)同控制，確保資源有效利用和減少能耗、提高礦井生產(chǎn)安全效率。其充分發(fā)揮了設(shè)備性能，提高了開采效率[2]。

1 短壁工作面設(shè)備

1.1 連續(xù)采煤機(jī)

連續(xù)采煤機(jī)是煤礦井下一種掘進(jìn)設(shè)備，適用于短壁開采設(shè)備及巷道的快速掘進(jìn)，采用多電機(jī)驅(qū)動方式。連續(xù)采煤機(jī)主要由截割部、裝運(yùn)煤部和行走部以及液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等組成。履帶式交流變頻驅(qū)動，是短壁工作面重要的生產(chǎn)設(shè)備。

1.2 梭車

梭車是煤礦井下連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行房拄式采煤與巷道掘進(jìn)常用的配套設(shè)備之一，是煤礦井下一種轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備。梭車主要由受料部、刮板運(yùn)輸部、行走部、卷纜部等組成，通過卷纜裝置伸縮拖曳約200 m電纜穿梭與連采機(jī)和破碎機(jī)，實(shí)現(xiàn)短距快速運(yùn)輸。其行走方式為無軌膠輪交流變頻驅(qū)動。作為短壁機(jī)械化開采的重要設(shè)備之一，其主要功能是將連續(xù)采煤機(jī)的煤轉(zhuǎn)運(yùn)到給料破碎機(jī)上。

1.3 給料破碎機(jī)

給料破碎機(jī)是煤礦井下一種運(yùn)輸破碎設(shè)備，主要由受料部、刮板運(yùn)輸部、破碎部以及液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等組成。通過破碎滾筒將大塊煤破碎成小塊煤，實(shí)現(xiàn)破碎及轉(zhuǎn)運(yùn)功能。

1.4 帶式輸送機(jī)

帶式輸送機(jī)是一種煤炭轉(zhuǎn)動設(shè)備，主要由皮帶、電滾筒及電氣控制系統(tǒng)組成，在煤炭采掘、生產(chǎn)、井下轉(zhuǎn)運(yùn)、洗煤過程中廣泛使用。帶式輸送機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、承載能力強(qiáng)、工作平穩(wěn)可靠，對物料適應(yīng)性強(qiáng)、輸送能力較大、運(yùn)輸距離長等特點(diǎn)[3]。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為單機(jī)電控系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信信息傳輸系統(tǒng)。煤礦井下短壁工作面區(qū)域自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 電控系統(tǒng)

連續(xù)采煤機(jī)、梭車、給料破碎機(jī)、帶式運(yùn)輸機(jī)等設(shè)備電控系統(tǒng)主要由主控制箱、顯示器、操作箱、遠(yuǎn)程I/O箱、電機(jī)、無線應(yīng)用節(jié)點(diǎn)(application point,AP)基站、無線測距傳感器等組成。

主控制箱是控制系統(tǒng)核心，內(nèi)部裝有主CUP控制器、I/O模塊、斷路器、接觸器、電流傳感器、綜合保護(hù)器、信號轉(zhuǎn)換調(diào)理模塊及通信模塊。通過控制器采集各類傳感器信號及I/O口狀態(tài)，驅(qū)動整體各執(zhí)行單元協(xié)調(diào)工作，確保設(shè)備正常運(yùn)行。

顯示器用于實(shí)時顯示連采機(jī)運(yùn)行參數(shù)及故障信息。操作人員通過友好的人機(jī)界面，可全面掌控設(shè)備狀態(tài)。

操作箱是設(shè)備控制指令接受傳輸單元，內(nèi)部裝有支持CANopen總線協(xié)議開關(guān)量采集模塊，將操作按鍵控制指令通過CANopen總線傳輸?shù)街骺叵銫UP控制器。

遠(yuǎn)程I/O箱裝有EPEC控制，支持22路脈寬調(diào)制(pulse width moducation,PWM)輸出。通過CANopen總線接收主控箱發(fā)出的控制指令，負(fù)責(zé)驅(qū)動液壓系統(tǒng)比例電磁閥工作。

連采無線基站與破碎機(jī)無線基站通過無線分布式系統(tǒng)(wireless distribution system,WDS)使無線AP之間通過無線信號進(jìn)行橋接中繼，在這同時并不影響其無線AP覆蓋的功能。

無線測距傳感器用于檢測梭車和連采機(jī)以及梭車和破碎機(jī)之間的距離，實(shí)現(xiàn)梭車和皮帶機(jī)控制系統(tǒng)間的協(xié)同控制[4]。

2.2 通信系統(tǒng)

CANopen是一種架構(gòu)在控制局域網(wǎng)路(controller area network,CAN)上的高層通信協(xié)協(xié)議，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)的各個領(lǐng)域。與一般的通信總線相比，CAN協(xié)議廢除了總線節(jié)點(diǎn)地址編碼，對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。總線上節(jié)點(diǎn)根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán)，采用逐位仲裁的方式競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，總線上所有節(jié)點(diǎn)可以同時接收到相同的數(shù)據(jù)，而類似RS-485只能構(gòu)成主從結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)間通信只能通過主站輪詢的方式，系統(tǒng)的實(shí)時性、可靠性較差。此外，CANopen數(shù)據(jù)采用短幀傳輸，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個，數(shù)據(jù)傳輸時間短。受干擾的概率低，重新發(fā)送的時間短，而節(jié)點(diǎn)在發(fā)生錯誤時可自動關(guān)閉，不影響總線上其他節(jié)點(diǎn)正常工作。CAN總線數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時性和靈活性，支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)[5]。

本文構(gòu)建的控制系統(tǒng)單元采用模塊化、分布式設(shè)計?；贑ANopen通信網(wǎng)絡(luò)主從總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各采掘設(shè)備電控系統(tǒng)主控制器作為主站，顯示器、操作箱、遠(yuǎn)程I/O箱具有CANopen接口的單元作為從站。主站通過監(jiān)控和采集各個從站信息，以完成相應(yīng)的功能。每種設(shè)備主控制器主站地址設(shè)置為1，從站地址分別設(shè)置為2～n，CANopen節(jié)點(diǎn)之間最遠(yuǎn)距離不超過20 m；所有設(shè)備波特率全部設(shè)置為250 kbit/s，總線兩端加終端電阻120 Ω，以減少回波反射。

無線測距傳感器應(yīng)用(chirp spread spectrum,CSS)調(diào)制技術(shù)和對稱雙面雙向測距(symmetrical double-sided two way ranging, SDS-TWR)算法，是線性調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)。SDS-TWR基于TWR的思想，根據(jù)數(shù)據(jù)包在兩個節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行雙向傳輸時間來計算得到兩個節(jié)點(diǎn)之間的距離。這種方式不需要兩個節(jié)點(diǎn)的時鐘進(jìn)行同步，降低了系統(tǒng)對硬件時鐘的要求，能夠避免因時鐘不同步而引起的誤差[6]。

WiFi技術(shù)是一種無線局域網(wǎng)傳輸技術(shù)，涉及到人們生活的各個角落，具有成本低、終端便攜、便于組網(wǎng)等特點(diǎn)。近年來，隨著煤礦井下信息化網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)得到了飛速發(fā)展，組網(wǎng)系統(tǒng)主要包括無線站點(diǎn)、AP節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，站點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)問可以實(shí)現(xiàn)級聯(lián)連接或組建局域網(wǎng)。WiFi無線通信系統(tǒng)的硬件主要包括無線基站與采集終端設(shè)備兩部分[7]。

采掘設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及數(shù)據(jù)還可以通過WiFi無線局域網(wǎng)技術(shù)接入井下環(huán)網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳輸基于ModbusTCP協(xié)議，采掘設(shè)備主控制器作為Server，地面監(jiān)控中心工控機(jī)作為Client。

將連采機(jī)、破碎機(jī)主控制器通過RJ45網(wǎng)絡(luò)端口接入WiFi無線局域網(wǎng)的無線基站。無線基站通過光纖接入煤礦井下的光纖環(huán)網(wǎng)，從而建立數(shù)據(jù)上傳路徑。在采掘設(shè)備主控制器中，通過編程實(shí)現(xiàn)ModbusTCP服務(wù)器功能。在監(jiān)控中心上位機(jī)安裝ModbusTCP客戶端軟件，從而實(shí)現(xiàn)工作采掘設(shè)備與地面監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)雙向傳輸。

ModbusTCP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖2 ModbusTCP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)

3 軟件設(shè)計

單機(jī)程序流程如圖3所示。

圖3 單機(jī)程序流程圖

控制系統(tǒng)上電主控制器檢測電流、溫度、壓力、油位等傳感器數(shù)值和CANopen從站狀態(tài)。根據(jù)自檢判斷整機(jī)的狀態(tài)，并在顯示器上顯示結(jié)果。如系統(tǒng)正常，操作人員可通過操作箱按鈕進(jìn)行操作，設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)動作。

4 自動化協(xié)同控制

短壁工作面設(shè)備間的區(qū)域自動化協(xié)同控制在連采機(jī)、梭車、給料破碎機(jī)、帶式運(yùn)輸機(jī)各實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動化基礎(chǔ)上構(gòu)建有線、無線混合通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備間生產(chǎn)過程信息獲取、信息共享、移動設(shè)備距離檢測識別。通過信息智能處理與決策，促進(jìn)了安全生產(chǎn)全程的關(guān)聯(lián)融合[8-10]。

4.1 連采機(jī)與梭車間的自動化控制

連采機(jī)截割過程中梭車行駛到連采機(jī)后面，連采機(jī)無線基站與梭車無線終端構(gòu)成無線局域網(wǎng)。連采機(jī)運(yùn)輸控制授權(quán)給梭車。梭車做好接煤準(zhǔn)備后，向連采機(jī)發(fā)出指令。連采機(jī)接收到指令后發(fā)出警示“連采機(jī)運(yùn)輸電機(jī)準(zhǔn)備啟動”，而后啟動運(yùn)輸系統(tǒng)。當(dāng)梭車裝滿煤后發(fā)出連采機(jī)停止運(yùn)輸，連采機(jī)自動關(guān)閉運(yùn)輸。通過連采機(jī)和梭車間的自動化控制，減輕了連采機(jī)司機(jī)的勞動強(qiáng)度，使其在割煤過程中不必關(guān)注運(yùn)輸裝車過程，從而提高了生產(chǎn)效率及巷道質(zhì)量。

4.2 梭車與破碎機(jī)間的自動化控制

梭車裝滿煤后駛向破碎機(jī)，通過梭車和破碎機(jī)間的測距傳感器，檢測兩臺設(shè)備間距離。根據(jù)實(shí)測，破碎機(jī)發(fā)出警示“連采機(jī)運(yùn)輸電機(jī)準(zhǔn)備啟動”。此時，破碎機(jī)無線基站與梭畫無線終端構(gòu)成無線局域網(wǎng)，以確保區(qū)域內(nèi)梭車、破碎機(jī)、皮帶間的信息共享。如果皮帶機(jī)、破碎機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，則梭車可以卸煤；否則，禁止梭車運(yùn)輸啟動，梭車司機(jī)可通過顯示器看到具體故障信息，避免堆煤。通過梭車和破碎機(jī)間的自動化上煤實(shí)施，不必再為破碎機(jī)配備操作人員。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)在短壁工作面多臺單機(jī)設(shè)備電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上，通過無線測距傳感器運(yùn)用及無線網(wǎng)絡(luò)局域網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，提高了短壁工作的自動化水平，實(shí)現(xiàn)了連采機(jī)與梭車、梭車與破碎機(jī)之間區(qū)域自動化控制，并達(dá)到了減人增效的目的，有利于促進(jìn)煤礦井下的安全生產(chǎn)。實(shí)際應(yīng)用表明，本系統(tǒng)在一定程度上解決了利用有線難以實(shí)現(xiàn)的短壁工作面多設(shè)備自動協(xié)同控制的問題，可靠性、安全性、工作效率得到極大提高。