白怡明

(中國煤炭科工集團 沈陽設計研究院有限公司， 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,并達到了國際領先的煤炭行業(yè)智能化水平。但受限于技術,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備單機自動化的遠程控制和工作面可視化監(jiān)控兩種技術結(jié)合的模式,智能自適應、自學習、自修正開采技術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，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)構造比較單一、容易開采等環(huán)境因素，經(jīng)反復分析研究，現(xiàn)按照國家智能化、現(xiàn)代化煤礦的要求，設計了一套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)絡聯(lián)絡平臺與工作面單機設備的自動化結(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、電液壓支架、刮板輸送機、順槽膠帶機、泵站、組合開關等綜采設備進行遠程操控[2]，實現(xiàn)地面遠程“一鍵啟?！本鹿ぷ髅孢\行，達到工作面“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自動化控制設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。通過采煤機主機實時數(shù)據(jù)及工作面?zhèn)鬏數(shù)默F(xiàn)場視頻，控制采煤機遠程操作臺來實現(xiàn)對工作面各個單機設備的控制。遠程控制系統(tǒng)可以控制采煤機主機升、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，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?。

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、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備進行指揮、自動化控制及遠程遙控的統(tǒng)一管理平臺。通過就地、集中、遠程三級管理平臺，利用無線網(wǎng)絡、通信、視頻及數(shù)據(jù)采集等多系統(tǒng)異構數(shù)據(jù)融合技術[3-4]，實現(xiàn)調(diào)度室遠程控制井下工作面運行。井下工作面無人工作，少人巡檢，為煤礦穩(wěn)定高效生產(chǎn)提供了技術支持和安全保障。

2 軟件設計

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)測等主要設備的工作參數(shù)、實時運行參數(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)各個設備的運行邏輯，分析其異構數(shù)據(jù)變化機制，并建立相應的控制邏輯。將采煤機控制、支架電液控制系統(tǒng)、工作面“三機”、乳化泵站等多系統(tǒng)有機結(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)關鍵技術

3.1 工作面高清視頻技術

根據(jù)大采高工作面主要設備情況，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，最終進入自動化后臺和視頻顯示上位機。通過監(jiān)控軟件處理功能實現(xiàn)攝像儀移動式跟隨技術，實時監(jiān)測采煤機、滾筒在生產(chǎn)過程中進行的截割畫面，與采煤機無縫結(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雜，需要設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、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，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，實時對單機電液壓支架、環(huán)境傳感器、設備傳感器等數(shù)據(jù)的采集，便于后臺上位機軟件系統(tǒng)對多種融合數(shù)據(jù)進行分析處理。

3.2.2 系統(tǒng)方案

1) 選用FHD500/31.5Z型電液控換向閥，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。

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

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

1) 電液控換向閥可實現(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)，進行采煤操作。這有效地降低了操作人員的工作強度，提高了采煤效率。

3) 電液壓支架控制系統(tǒng)控制主機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換向閥上，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備系統(tǒng)種類繁多，相互關聯(lián)且配合運轉(zhuǎn)，所以對設備的運行順序、響應速度、正確性、穩(wěn)定性等要求高。目前各設備廠家生產(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)議標準，造成設備與設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[6]，本礦設計要求工作面所有設備均需要支持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)點為：

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

2) 工業(yè)以太網(wǎng)TCP/IP使用的是標準的以太網(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)運行可靠。

4 實際應用分析

曹家灘井下無人智能化工作面控制系統(tǒng)的自動化程度達到95%以上，整套設備運行穩(wěn)定可靠。采煤設備實現(xiàn)了遠程集中控制，采煤機記憶切割采煤技術，電動液壓支架自動跟機移架和推溜，設備聯(lián)動閉鎖控制，可以實現(xiàn)監(jiān)控中心對采煤機、電液壓支架及工作面的故障診斷。工作面多系統(tǒng)異構數(shù)據(jù)的有機結(jié)合，實現(xiàn)了地面調(diào)度指揮中心“一鍵啟停”和遠程控制工作面生產(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。同時，僅有的4名井下工作面人員從設備工、操作工變成了巡視工和監(jiān)控員。其中：巡視工負責巡檢電液壓支架、采煤機的工作狀態(tài)，如果發(fā)生緊急事故，緊急停機并聯(lián)系人員解決事故；監(jiān)控員負責電液壓支架操作臺和采煤機操作臺的遠程控制，以及啟停大采高工作面設備。這大大降低了井下工作面工人的勞動強度，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用，目前該設計項目已經(jīng)完成建設及安裝調(diào)試工作，在井下運行穩(wěn)定。大采高智能化工作面控制系統(tǒng)在運行期間得到了業(yè)主的一致好評，取得了較大的經(jīng)濟效益，降低了井下員工的勞動強度，為井下的安全生產(chǎn)提供了堅強有力的保障。曹家灘智能化工作面樹立了我國煤礦行業(yè)的新標桿，為大型智慧礦山安全高效生產(chǎn)提供了保障，大力推進了我國煤礦行業(yè)智能化發(fā)展的進程。

煤礦井下工作面智能化無人開采在實際應用中，仍然有改進和發(fā)展的空間。井下智能化無人開采是煤礦行業(yè)的重大技術方向及行業(yè)升級的重點。未來智能化系統(tǒng)的研究,需要加強實現(xiàn)智能自學習開采模式，通過采集采煤工作面的單機自動化系統(tǒng)、各個環(huán)境監(jiān)測傳感器、設備感知傳感器等數(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、自學習功能，自動編寫采煤機截割模型和電液壓支架全程自適應跟機、綜采控制指令，最終傳輸給采煤工作面各個單機設備。這種控制模型可以為采煤設備提供執(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。