白怡明

(中國煤炭科工集團(tuán) 沈陽設(shè)計研究院有限公司， 遼寧 沈陽 110015)

0 引言

自2010年以來,我國陸續(xù)開展了煤礦井下智能化開采的研究與建設(shè)工作。到目前為止,國內(nèi)已有40多個礦區(qū)基本實現(xiàn)了智能化無人開采,并達(dá)到了國際領(lǐng)先的煤炭行業(yè)智能化水平。但受限于技術(shù),煤礦智能化無人開采的實踐經(jīng)驗還不足,曹家灘煤礦仍依靠工作面采煤設(shè)備單機(jī)自動化的遠(yuǎn)程控制和工作面可視化監(jiān)控兩種技術(shù)結(jié)合的模式,智能自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自修正開采技術(shù)模式還處于理論階段。為了實現(xiàn)煤礦智能化、無人化開采的目標(biāo)，曹家灘煤礦秉承“少人則安，無人則安”的安全管理理念，同時考慮到礦井2-2煤層厚度高、傾角平緩、地質(zhì)構(gòu)造比較單一、容易開采等環(huán)境因素，經(jīng)反復(fù)分析研究，現(xiàn)按照國家智能化、現(xiàn)代化煤礦的要求，設(shè)計了一套SAM型大采高智能化工作面控制系統(tǒng)。

1 大采高智能化工作面控制系統(tǒng)

SAM型大采高智能化工作面控制系統(tǒng)是一套井下工作面綜合智能化解決方案。它是由工作面集中控制系統(tǒng)、設(shè)備姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、智能化視頻監(jiān)控系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡(luò)聯(lián)絡(luò)平臺與工作面單機(jī)設(shè)備的自動化結(jié)合起來的一套控制系統(tǒng)[1]。將采煤工人由原來的高強(qiáng)度、高危險的井下工作面作業(yè)改在相對安全的順槽監(jiān)控中心，實現(xiàn)在順槽監(jiān)控中心對大采高采煤機(jī)、電液壓支架、刮板輸送機(jī)、順槽膠帶機(jī)、泵站、組合開關(guān)等綜采設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操控[2]，實現(xiàn)地面遠(yuǎn)程“一鍵啟?！本鹿ぷ髅孢\(yùn)行，達(dá)到工作面“無人智能化”開采的目的。

1.1 系統(tǒng)組成

大采高智能化工作面控制系統(tǒng)包含順槽監(jiān)控中心和地面分控中心2部分，如圖1所示。

1) 工作面順槽監(jiān)控中心。它主要是將大采高中各個單機(jī)自動化控制設(shè)備集成為一套一體化監(jiān)控中心。該順槽監(jiān)控中心是智能化工作面控制的大腦。通過采煤機(jī)主機(jī)實時數(shù)據(jù)及工作面?zhèn)鬏數(shù)默F(xiàn)場視頻，控制采煤機(jī)遠(yuǎn)程操作臺來實現(xiàn)對工作面各個單機(jī)設(shè)備的控制。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)可以控制采煤機(jī)主機(jī)升、降、左牽、右牽、急停等動作，控制延時不超過500 ms。

2) 地面分控中心。利用井上下萬兆以太環(huán)網(wǎng)，建立連接地面分控中心與井下工作面順槽監(jiān)控中心的橋梁，建立語音實時通信系統(tǒng)。利用三維可視化技術(shù)，在調(diào)度室內(nèi)虛擬形成井下工作面的3D模型，實現(xiàn)在地面調(diào)度室內(nèi)的集中控制及一鍵啟?？刂啤?/p>

圖1 大采高智能化工作面控制系統(tǒng)框架

1.2 系統(tǒng)原理

SAM型大采高智能化工作面控制系統(tǒng)是由工作面高清視頻技術(shù)、工作面電液控制系統(tǒng)、工作面自動生產(chǎn)及環(huán)境監(jiān)測協(xié)同控制、工作面以太網(wǎng)TCP/IP傳輸通信系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制平臺等多系統(tǒng)組成的大型控制系統(tǒng)。它是一套可以通過順槽監(jiān)控中心和地面分控中心,對大采高工作面各個設(shè)備進(jìn)行指揮、自動化控制及遠(yuǎn)程遙控的統(tǒng)一管理平臺。通過就地、集中、遠(yuǎn)程三級管理平臺，利用無線網(wǎng)絡(luò)、通信、視頻及數(shù)據(jù)采集等多系統(tǒng)異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)[3-4]，實現(xiàn)調(diào)度室遠(yuǎn)程控制井下工作面運(yùn)行。井下工作面無人工作，少人巡檢，為煤礦穩(wěn)定高效生產(chǎn)提供了技術(shù)支持和安全保障。

2 軟件設(shè)計

大采高智能化工作面控制系統(tǒng)包含一套PLC數(shù)據(jù)分析及邏輯控制軟件[5]。利用通用接口協(xié)議采集工作面自動生產(chǎn)及環(huán)境監(jiān)測等主要設(shè)備的工作參數(shù)、實時運(yùn)行參數(shù)、視頻系統(tǒng)參數(shù)、巷道內(nèi)多種環(huán)境傳感器的信息等。通過協(xié)同控制方式，達(dá)到采煤生產(chǎn)工藝的要求，采集自動生產(chǎn)及環(huán)境監(jiān)測參數(shù)，依據(jù)各個設(shè)備的運(yùn)行邏輯，分析其異構(gòu)數(shù)據(jù)變化機(jī)制，并建立相應(yīng)的控制邏輯。將采煤機(jī)控制、支架電液控制系統(tǒng)、工作面“三機(jī)”、乳化泵站等多系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，最終實現(xiàn)對大采高工作面采煤生產(chǎn)的智能化控制。軟件流程如圖2所示。

圖2 軟件流程

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 工作面高清視頻技術(shù)

根據(jù)大采高工作面主要設(shè)備情況，建立一套高清視頻監(jiān)控平臺，實現(xiàn)在井下順槽監(jiān)控中心、地面分控中心對大采高工作面的全覆蓋視頻監(jiān)控。高清攝像儀實時采集工作面情況并上傳至監(jiān)控后臺，實現(xiàn)工作面可視化。每3臺電液壓支架安裝1臺側(cè)壁紅外高清攝像儀，每6臺電液壓支架安裝1臺云臺攝像儀。云臺攝像儀采用紅外高清攝像儀，可以實現(xiàn)半全景180°旋轉(zhuǎn)，仰俯75°范圍。攝像儀信號通過以太網(wǎng)傳輸?shù)焦ぷ髅娑祟^交換機(jī)，最終進(jìn)入自動化后臺和視頻顯示上位機(jī)。通過監(jiān)控軟件處理功能實現(xiàn)攝像儀移動式跟隨技術(shù)，實時監(jiān)測采煤機(jī)、滾筒在生產(chǎn)過程中進(jìn)行的截割畫面，與采煤機(jī)無縫結(jié)合。

3.2 工作面電液控制系統(tǒng)

大采高工作面的采煤工藝十分復(fù)雜，需要設(shè)計一套工作面電液控制系統(tǒng)[3]。它除了具有傳統(tǒng)支架的控制功能外，還具有自動控制、自動移架、伸收尾梁、推移采煤機(jī)、自動噴霧等采煤功能。手動采煤時，由于工人操作位置離采煤口較遠(yuǎn)，不能及時觀察到工作面的環(huán)境情況，因此影響了采煤效果，增加了采煤生產(chǎn)周期。

3.2.1 電液控制系統(tǒng)

工作面電液壓控制系統(tǒng)可實現(xiàn)大采高工作面液壓支架的自動化控制。選用多種工業(yè)以太網(wǎng)、485通訊等通用接口，實時對單機(jī)電液壓支架、環(huán)境傳感器、設(shè)備傳感器等數(shù)據(jù)的采集，便于后臺上位機(jī)軟件系統(tǒng)對多種融合數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

3.2.2 系統(tǒng)方案

1) 選用FHD500/31.5Z型電液控?fù)Q向閥，流量為500 L/min，可滿足采煤支架的多功能控制。整體插裝式閥芯便于現(xiàn)場維護(hù)。

2) 選用ZDYZ26-Q型電磁閥驅(qū)動器，可實現(xiàn)對不超過30路功能的電液控?fù)Q向閥的控制需求。

3) 選用GPD型礦用壓力傳感器，可實現(xiàn)對支架立柱下區(qū)壓力的監(jiān)測及電液壓支架自動移架、伸收與推移的控制。

4) 選用GUH5-F型紅外線發(fā)射器、GUH5-S型紅外線接收器，可實現(xiàn)對采煤機(jī)實時采煤工作的定位、監(jiān)測與自動控制等功能。

5) 選用FHJ12型礦用本質(zhì)安全型多回路鍵盤，可實現(xiàn)對本機(jī)電液壓支架、相鄰支架頂梁、插板和后部噴霧的單動控制。

6) 選用KDW127/660/2.0型多回路礦用隔爆兼本質(zhì)安全型電源穩(wěn)定模塊，可為電控系統(tǒng)提供兩路12 V/2 A的穩(wěn)定供電。

7) 配備SAC-I型隔離器，可實現(xiàn)供電及控制系統(tǒng)的供電隔離、信號耦合等功能。

3.2.3 系統(tǒng)特點(diǎn)

1) 電液控?fù)Q向閥可實現(xiàn)對大采高工作面支架支撐質(zhì)量的控制。

2) 采用電液壓支架控制系統(tǒng)控制主機(jī)和多功能本質(zhì)安全型鍵盤多控方式的采煤系統(tǒng)，操作人員可以在順槽監(jiān)控中心根據(jù)高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)反饋的現(xiàn)場視頻畫面與環(huán)境傳感器的實時數(shù)據(jù)，進(jìn)行采煤操作。這有效地降低了操作人員的工作強(qiáng)度，提高了采煤效率。

3) 電液壓支架控制系統(tǒng)控制主機(jī)可提供多功能控制的鍵盤操作，最大限度地滿足在控制面板上直接控制支架的動作。

4) 電磁閥控制裝置可安裝在電液控?fù)Q向閥上，實現(xiàn)系統(tǒng)高度整合。

5) 多回路礦用隔爆兼本質(zhì)安全型電源穩(wěn)定模塊可提供大功率穩(wěn)定輸出，滿足電控系統(tǒng)對供電的需求。

3.3 工作面以太網(wǎng)TCP/IP傳輸通信系統(tǒng)

由于大采高工作面成套設(shè)備系統(tǒng)種類繁多，相互關(guān)聯(lián)且配合運(yùn)轉(zhuǎn)，所以對設(shè)備的運(yùn)行順序、響應(yīng)速度、正確性、穩(wěn)定性等要求高。目前各設(shè)備廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品接口方式及通信協(xié)議五花八門，難以形成統(tǒng)一的通用平臺協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，造成設(shè)備與設(shè)備之間通信不暢及誤動作等。

基于工業(yè)以太網(wǎng)TCP/IP的融合技術(shù)[6]，本礦設(shè)計要求工作面所有設(shè)備均需要支持EtherNet和TCP/IP通訊協(xié)議，研發(fā)新一代工作面自動化通信平臺。系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)為：

1) 系統(tǒng)兼容性和適應(yīng)性好，能夠很好地處理目前大采高工作面多種系統(tǒng)和機(jī)電設(shè)備相互之間的通信和操作問題。

2) 工業(yè)以太網(wǎng)TCP/IP使用的是標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口，開放性好，能夠支持目前國內(nèi)多個廠家生產(chǎn)的設(shè)備，安裝調(diào)試快速且方便，穩(wěn)定性高。

3) 工業(yè)以太網(wǎng)TCP/IP能夠支持大數(shù)據(jù)量的遠(yuǎn)距離傳輸。

4) 數(shù)據(jù)的穩(wěn)定及安全傳輸，能夠保證大采高工作面智能化系統(tǒng)的實現(xiàn)，使智能化系統(tǒng)運(yùn)行可靠。

4 實際應(yīng)用分析

曹家灘井下無人智能化工作面控制系統(tǒng)的自動化程度達(dá)到95%以上，整套設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠。采煤設(shè)備實現(xiàn)了遠(yuǎn)程集中控制，采煤機(jī)記憶切割采煤技術(shù)，電動液壓支架自動跟機(jī)移架和推溜，設(shè)備聯(lián)動閉鎖控制，可以實現(xiàn)監(jiān)控中心對采煤機(jī)、電液壓支架及工作面的故障診斷。工作面多系統(tǒng)異構(gòu)數(shù)據(jù)的有機(jī)結(jié)合，實現(xiàn)了地面調(diào)度指揮中心“一鍵啟?！焙瓦h(yuǎn)程控制工作面生產(chǎn)，大采高工作面開采變得更加連續(xù)高效、安全可靠。

生產(chǎn)時，工作面無人跟機(jī)作業(yè)，工作面的作業(yè)人數(shù)由原有的15人減少至現(xiàn)在的4人，實現(xiàn)了減人提效的目標(biāo)。同時，僅有的4名井下工作面人員從設(shè)備工、操作工變成了巡視工和監(jiān)控員。其中：巡視工負(fù)責(zé)巡檢電液壓支架、采煤機(jī)的工作狀態(tài)，如果發(fā)生緊急事故，緊急停機(jī)并聯(lián)系人員解決事故；監(jiān)控員負(fù)責(zé)電液壓支架操作臺和采煤機(jī)操作臺的遠(yuǎn)程控制，以及啟停大采高工作面設(shè)備。這大大降低了井下工作面工人的勞動強(qiáng)度，改善了工人的作業(yè)環(huán)境，提高了工人的幸福指數(shù)。

5 結(jié)論

本文概述了大采高智能化工作面控制系統(tǒng)在曹家灘煤礦中的應(yīng)用，目前該設(shè)計項目已經(jīng)完成建設(shè)及安裝調(diào)試工作，在井下運(yùn)行穩(wěn)定。大采高智能化工作面控制系統(tǒng)在運(yùn)行期間得到了業(yè)主的一致好評，取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益，降低了井下員工的勞動強(qiáng)度，為井下的安全生產(chǎn)提供了堅強(qiáng)有力的保障。曹家灘智能化工作面樹立了我國煤礦行業(yè)的新標(biāo)桿，為大型智慧礦山安全高效生產(chǎn)提供了保障，大力推進(jìn)了我國煤礦行業(yè)智能化發(fā)展的進(jìn)程。

煤礦井下工作面智能化無人開采在實際應(yīng)用中，仍然有改進(jìn)和發(fā)展的空間。井下智能化無人開采是煤礦行業(yè)的重大技術(shù)方向及行業(yè)升級的重點(diǎn)。未來智能化系統(tǒng)的研究,需要加強(qiáng)實現(xiàn)智能自學(xué)習(xí)開采模式，通過采集采煤工作面的單機(jī)自動化系統(tǒng)、各個環(huán)境監(jiān)測傳感器、設(shè)備感知傳感器等數(shù)據(jù),編寫分析決策數(shù)據(jù)倉庫，智能分析多信息融合的工作面，實現(xiàn)工作面找直，煤巖識，測量等功能;開啟自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)功能，自動編寫采煤機(jī)截割模型和電液壓支架全程自適應(yīng)跟機(jī)、綜采控制指令，最終傳輸給采煤工作面各個單機(jī)設(shè)備。這種控制模型可以為采煤設(shè)備提供執(zhí)行系統(tǒng)。通過大量的工況傳感器、激光掃描、紅外視頻、地質(zhì)勘探等數(shù)據(jù)感知及多源異構(gòu)數(shù)據(jù)與三維仿真手段，最終形成“感知—分析—決策—控制”閉環(huán)。隨著科技水平的提高和創(chuàng)新，未來將實現(xiàn)煤礦智能化無人高效開采、綠色安全的智慧礦山。