孫 健

（中煤平朔集團 設(shè)備管理租賃中心，山西 朔州 036006）

煤礦綜采工作面是煤礦生產(chǎn)的最前沿，也是最復(fù)雜的采煤終端環(huán)節(jié)。機械化采煤是規(guī)模化生產(chǎn)的基礎(chǔ)，信息智能化采煤則是大型機械化生產(chǎn)的核心。由于設(shè)備數(shù)量多，設(shè)備之間相互依賴，相互制約形成串聯(lián)運行的生產(chǎn)系統(tǒng)，開機率已成為煤礦規(guī)?；a(chǎn)的唯一指標(biāo)。煤礦綜合機械化采煤的自動化程度對信息化技術(shù)的依賴性逐步提升，工業(yè)化與信息化的融合已成為煤礦機械化采煤發(fā)展的必然趨勢[1]。

1 信息系統(tǒng)總體構(gòu)架

綜采設(shè)備單臺的自動化運行依托現(xiàn)場總線即可完成，但多臺設(shè)備協(xié)同運行實現(xiàn)遠程智能控制對通信的實時性、數(shù)據(jù)吞吐量、通信速率、可靠性等要求很高，單靠現(xiàn)場總線控制已無法滿足綜采多臺設(shè)備智能聯(lián)動的通信要求，高速以太網(wǎng)絡(luò)接入現(xiàn)場總線控制才能解決煤礦信息化數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i問題[2]。

1.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

綜采工作面信息化集成控制系統(tǒng)通過設(shè)備層、控制層和信息層3 層網(wǎng)絡(luò)架實現(xiàn)自動化控制的基礎(chǔ)構(gòu)架。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

1）信息層。以傳輸數(shù)據(jù)為主要功能，利用Web信息數(shù)據(jù)把綜采工作面設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)發(fā)布到單位局域網(wǎng)內(nèi)，通過各個終端設(shè)備及時了解現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)等相關(guān)信息，便于對生產(chǎn)現(xiàn)場進行分析判斷并進行下一步的生產(chǎn)管理。

2）控制層。控制層主要功能為通過采集并顯示現(xiàn)場設(shè)備的運行信息，并對設(shè)備進行相應(yīng)的控制?？刂茖佑蓛膳_互為備用的礦用計算機組成，與現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備的通訊連接采用Modbus 通訊協(xié)議，與其他自動化系統(tǒng)通過TCP/IP 協(xié)議相連。通過控制層設(shè)備的計算機可以根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的位置信息、運行參數(shù)等對設(shè)備進行部分啟?？刂啤?/p>

3）設(shè)備層?，F(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備以現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)為主，設(shè)備的智能控制以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)，各設(shè)備與主計算機之間通過Modbus 通訊協(xié)議連接，形成以通訊數(shù)據(jù)監(jiān)測為主要功能，實現(xiàn)部分設(shè)備遠程啟停為輔助功能的現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)。

1.2 基本流程

集成控制系統(tǒng)監(jiān)測主站中的Modbus Slave 站通過軟件模擬實現(xiàn)，通過Modbus 通訊協(xié)議按照不同的Slave 站的級別輪巡檢測各子系統(tǒng)的Modbus Slave站及時更新的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，并通過組態(tài)圖形表示采集到的各個設(shè)備的運行數(shù)據(jù)。

2 綜采工作面信息化集成控制系統(tǒng)升級改造

綜采工作面信息化集成控制系統(tǒng)改造是在綜合機械化采煤工藝的基礎(chǔ)需求上實現(xiàn)減人增效的安全生產(chǎn)。通過機械化采煤工藝，利用自動化、傳感、通訊，圖像處理等一些列技術(shù)實現(xiàn)信息化和工業(yè)化的融合提升的傳感網(wǎng)，實現(xiàn)對綜采設(shè)備的監(jiān)控、判斷分析及一定程度的電氣和通訊控制功能，在綜采工作面機械化設(shè)備的基礎(chǔ)上實現(xiàn)減人增效[3-7]。綜采工作面電氣負荷系統(tǒng)如圖2。

圖2 綜采工作面電氣負荷系統(tǒng)圖

2.1 采煤機控制系統(tǒng)升級完善

采煤機通過冗余動力線調(diào)制解調(diào)器和光纜進行數(shù)據(jù)傳輸。采煤機拖曳電纜和動力線耦合器連接。耦合器濾出高壓信號，收集采煤機的高壓頻譜信號，帶有采煤機信息的信號傳輸?shù)皆鲆婵烧{(diào)的電氣隔離模塊。通過隔離模塊把信號傳輸?shù)絼恿€調(diào)制調(diào)節(jié)器，然后解調(diào)擴展頻譜信號并將其轉(zhuǎn)換為電流環(huán)串行數(shù)據(jù)流信號。電流環(huán)信號轉(zhuǎn)換成RS232 后傳送到多模光纖轉(zhuǎn)換器，在進行遠距離傳輸后再轉(zhuǎn)換為電流環(huán)信號進入采煤機遠程控制器。采煤機遠程控制器和控制臺的數(shù)據(jù)傳輸采用TCP/IP 協(xié)議進行數(shù)據(jù)通訊。

現(xiàn)有的艾柯夫SL750 采煤機只能實現(xiàn)就地跟機遙控，為滿足集控系統(tǒng)要求，需要改造現(xiàn)有采煤機，增加實現(xiàn)從進風(fēng)巷監(jiān)控采煤機自動運行所需的整套改造件、4 個攝像頭和1 個遠程控制臺。通過軸編碼器和液壓支架紅外接受器實現(xiàn)采煤機位置定位。

2.2 支架電液控系統(tǒng)完善

現(xiàn)有的支架全部配備電液控制器，需要將現(xiàn)有的控制器進行維修完善，確保電液控主機、支架電液控制器、立柱壓力傳感器、推移行程傳感器及采煤機定位紅外對射器完好。采煤機在運行割煤的過程中即能實現(xiàn)支架和采煤機最基本的跟機聯(lián)動功能，也能實現(xiàn)液壓支架的遠程操作和參數(shù)修改，同時還確保采煤機不與支架的護幫板、側(cè)護板等保護機構(gòu)發(fā)生碰撞，實現(xiàn)采煤機與液壓支架的聯(lián)動和互動作業(yè)。

2.3 工作面三機保護系統(tǒng)完善

控制臺主機與工作面三機負荷設(shè)備通過Modbus 方式進行通信實現(xiàn)刮板運輸機、轉(zhuǎn)載機、破碎機的聯(lián)合運轉(zhuǎn)；同時通過實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測三機設(shè)備的電動機和減速器的運行參數(shù)，根據(jù)運行參數(shù)實現(xiàn)報警保護和停機保護，在刮板運輸機和轉(zhuǎn)載機驅(qū)動方式上采用變頻驅(qū)動方式，既減少了傳統(tǒng)配置的組合開關(guān)數(shù)量，又能發(fā)揮變頻驅(qū)動的特點，減少三機的重載開機瞬間的較大沖擊力和運行期間因矸石卡堵造成的機械磨損。綜采操作控制臺通過RS485 通訊讀取變頻器的動態(tài)參數(shù)信息，實現(xiàn)瞬時觀測三機和采煤機的電流、電壓等運行參數(shù)，根據(jù)電流參數(shù)可以動態(tài)調(diào)整刮板運輸機的運輸速度，實現(xiàn)工作面三機根據(jù)電流參數(shù)可調(diào)整運輸機速度的完善保護。

2.4 視頻-供電-通信系統(tǒng)完善

在原綜采工作面視頻監(jiān)控的基礎(chǔ)上，采煤機左右搖臂處增加1 套監(jiān)控系統(tǒng)，對工作面和采煤機實行實時監(jiān)控，通過采集的視頻圖像進行智能實時拼接，實現(xiàn)綜采工作面視頻全覆蓋。

主控制器與各類電氣負荷開關(guān)通過集中控制，實現(xiàn)電氣系統(tǒng)電壓、電流、絕緣阻值、溫度、運行時間等實時數(shù)據(jù)的動態(tài)監(jiān)測。

綜采工作面各類生產(chǎn)及輔助設(shè)備的數(shù)據(jù)通過井下數(shù)據(jù)交換主機將數(shù)據(jù)傳輸至井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)內(nèi)，再通過礦井環(huán)網(wǎng)上傳到地面調(diào)度室內(nèi)集中顯示，顯示畫面與井下集控中心一致，同時能夠根據(jù)現(xiàn)場條件啟動地面遠程控制功能，控制功能需在安全前提下進行。另能夠在地面對井下設(shè)備以及集成控制系統(tǒng)進行軟件升級和參數(shù)設(shè)置，通過地面系統(tǒng)向井下系統(tǒng)發(fā)布參數(shù)命令，井下順槽集控系統(tǒng)記錄后并存儲，之后的生產(chǎn)過程將使用新的軟件參數(shù)運行。

3 技術(shù)難題和發(fā)展方向及應(yīng)用前景

3.1 技術(shù)難題

1）缺乏統(tǒng)一的通信平臺。煤礦高速以太環(huán)網(wǎng)已成熟并普及應(yīng)用，設(shè)備運行的參數(shù)信息如何分析處理并做下一步的預(yù)判卻停留在宏觀層面，沒有針對的分析處理功能，而環(huán)網(wǎng)的帶寬大多被視頻信息等數(shù)據(jù)量大的數(shù)據(jù)占用，對設(shè)備的智能化運行并沒有指導(dǎo)作用。在通訊信息和現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)之間還做不到無縫對接。各系統(tǒng)間的相互協(xié)調(diào)仍需提高[7-8]。綜采工作面信息化集成控制系統(tǒng)通過信息化的帶動實現(xiàn)了信息化和工業(yè)化的初步融合，“兩化融合”后的數(shù)據(jù)處理技術(shù)對綜采生產(chǎn)工藝的優(yōu)化提升目前還處于探索階段。

2）綜采生產(chǎn)的過程控制還不能實現(xiàn)智能化生產(chǎn)，只能做到部分設(shè)備的簡單啟停功能。還不能實現(xiàn)綜采工作面自動找直、存在上竄下滑、運輸機與轉(zhuǎn)載機的搭接分離等需要解決的問題[9]。

3.2 技術(shù)發(fā)展方向

綜采工作面信息化與集成是綜采工作面實現(xiàn)機械化采煤的一個全面的總結(jié)，采煤的發(fā)展將向智能化走近，通信技術(shù)和現(xiàn)場總線控制技術(shù)的結(jié)合是采煤智能化的趨勢，采煤關(guān)鍵技術(shù)的突破、新技術(shù)的應(yīng)用將為綜采工作面的智能化提供相應(yīng)的解決方案。

1）綜采工作面設(shè)備之間應(yīng)有統(tǒng)一標(biāo)準的通信協(xié)議，研究動態(tài)適時跟蹤的綜合視頻平臺及相應(yīng)的圖形處理技術(shù)，把生產(chǎn)運行狀態(tài)的動態(tài)設(shè)備運行狀況作為研究對象，對綜采工作面信息化集成系統(tǒng)采集的設(shè)備參數(shù)信息進行處理分析判斷，提供遠程動態(tài)控制的執(zhí)行依據(jù)。

2）圍繞開采工藝流程及生產(chǎn)過程建立動態(tài)生產(chǎn)模型，通過生產(chǎn)過程動態(tài)數(shù)據(jù)管理和分析實現(xiàn)智能割煤過程的三維定位和動態(tài)實時監(jiān)控，實現(xiàn)綜采工作面的直線度控制和水平控制。

3.3 應(yīng)用前景

隨著煤機裝備的迅速發(fā)展，機械化采煤的信息化程度逐步提高，綜采工作面信息化集成與控制系統(tǒng)的推廣應(yīng)用能夠改善采掘工作面惡劣環(huán)境，解決井下用工多，勞動強度大，工作效率低，能源浪費嚴重、資源回采率低，浪費大，以及安全隱患多等問題。綜采工作面信息化集控系統(tǒng)指通過主機設(shè)備進行顯示和控制通過實時傳輸設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的綜采工作面生產(chǎn)設(shè)備和其他輔助設(shè)備的運行狀態(tài)。通過信息化及工業(yè)化的融合應(yīng)用，實現(xiàn)由信息化帶動工業(yè)化并向綜采工作面智能化發(fā)展提供基礎(chǔ)參考。

5 結(jié)語

綜采工作面信息化集控系統(tǒng)是利用信息技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)及時準確地反饋問題，對信息化和工業(yè)化的深度融合奠定了底層信息基礎(chǔ)，為綜采工作面少人化開采提供了最基礎(chǔ)可靠的參考，綜采工作面智能化開采技術(shù)在實際應(yīng)用中產(chǎn)物，是保障工作面安全開采的有效途徑。綜采工作面集控是世界前沿的新興技術(shù)，該技術(shù)具備的可靠性、先進性、穩(wěn)定性、實用性逐步使綜采設(shè)備實現(xiàn)快速、準確的配合充分發(fā)揮智能設(shè)備的性能。