高志勇

(西山煤電 西銘礦 綜采三隊(duì)，山西 太原 030052)

0 引言

目前國(guó)產(chǎn)的綜采設(shè)備都有與之配套的監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)化的機(jī)械化采煤，但是整體的協(xié)調(diào)控制還需人工干預(yù)，自動(dòng)化程度不高。人工手動(dòng)操作誤差較大，稍有不慎將可能導(dǎo)致誤操作從而引發(fā)嚴(yán)重的井下安全事故。在對(duì)采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)等綜采設(shè)備及其監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析調(diào)研后，研究了一種綜采工作面集中控制系統(tǒng)，能夠提高煤炭生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，提高煤礦企業(yè)的安全性。

1 集中控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)階段，大部分煤礦綜采工作面的各種綜采設(shè)備都具備各自獨(dú)立的控制平臺(tái)，各個(gè)分散的控制平臺(tái)依托人工配合形成了相互配合、各自獨(dú)立的控制系統(tǒng)。綜采工作面集中控制系統(tǒng)將原有的分散控制系統(tǒng)整合起來，使得集中控制系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備的運(yùn)行信息能夠相互融合，綜采工作面所有設(shè)備在這個(gè)控制平臺(tái)內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度。圖1為綜采工作面集中控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自上而下可以分為三層：①綜采設(shè)備層，主要包括采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)和破碎機(jī)、帶式輸送機(jī)和攝像頭；②綜采設(shè)備機(jī)載控制系統(tǒng)層，對(duì)應(yīng)于綜采設(shè)備層的設(shè)備，機(jī)載控制系統(tǒng)指的是采煤機(jī)系統(tǒng)、電液系統(tǒng)、三機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和視頻系統(tǒng);③順槽計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),該系統(tǒng)是位于順槽的服務(wù)器，其功能是對(duì)綜采設(shè)備的狀態(tài)顯示和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理，并形成一套完整的生產(chǎn)工藝流程。三層系統(tǒng)的通訊方式采用TCP/IP，交換機(jī)的作用是分配機(jī)載控制器的網(wǎng)絡(luò)。

圖1 綜采工作面集中控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 集中控制系統(tǒng)功能

綜采工作面集中控制系統(tǒng)的功能可分為監(jiān)測(cè)功能和控制功能兩大類。

2.1 監(jiān)測(cè)功能

監(jiān)測(cè)各種綜采設(shè)備的狀態(tài)和運(yùn)行信息是實(shí)現(xiàn)控制功能的基礎(chǔ)。各綜采設(shè)備的控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分散在各控制平臺(tái)，相互比較獨(dú)立，不便于實(shí)現(xiàn)集中控制。如：采煤機(jī)控制系統(tǒng)采集的采煤機(jī)位置、滾筒高度和截割電機(jī)電流電壓等信息；電液控制系統(tǒng)采集的前后立柱壓力、行程等參數(shù)信息；三機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采集的電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流、溫度和軸承溫度等信息；帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采集的煤量、打滑和跑偏等信息；井下攝像頭采集的設(shè)備工作畫面等。集中控制系統(tǒng)將上述所有信息通過可靠的通訊網(wǎng)絡(luò)上傳至順槽控制中心，方便操作人員對(duì)整個(gè)綜采工作面進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.2 控制功能

綜采工作面集中控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)就地控制和遠(yuǎn)程控制。煤礦操作規(guī)程規(guī)定，為了保護(hù)檢修工作人員，綜采工作設(shè)備在檢修狀態(tài)時(shí)禁止遠(yuǎn)程操作。因此當(dāng)某一部分設(shè)備處于檢修狀態(tài)時(shí)，集中控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)將操作權(quán)限下放到機(jī)載控制器，此時(shí)設(shè)備只能就地控制。遠(yuǎn)程控制是綜采工作面集中控制系統(tǒng)的核心功能，其可分為手動(dòng)遠(yuǎn)程控制、半自動(dòng)遠(yuǎn)程控制和全自動(dòng)遠(yuǎn)程控制。手動(dòng)遠(yuǎn)程控制適用于綜采工作面煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采煤機(jī)和液壓支架動(dòng)作不連續(xù)的情況，如采煤機(jī)、液壓支架、運(yùn)輸三機(jī)、帶式輸送機(jī)和攝像頭的各種基本動(dòng)作均能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)遠(yuǎn)程操作。半自動(dòng)遠(yuǎn)程控制是全自動(dòng)遠(yuǎn)程控制的基礎(chǔ)，如系統(tǒng)綜合工作面的煤流工藝、保護(hù)工藝和控制工藝，可在一定范圍內(nèi)連續(xù)自動(dòng)作業(yè)；一鍵啟停、采煤機(jī)調(diào)速和自動(dòng)換向、滾筒高度控制和視頻跟機(jī)等功能均屬于半自動(dòng)遠(yuǎn)程控制。全自動(dòng)遠(yuǎn)程控制是一種完全不需要人工干預(yù)的控制方式，將人工智能技術(shù)應(yīng)用于集中控制系統(tǒng)中，目前還處于研制階段。

3 協(xié)同控制策略

綜采工作面集中控制系統(tǒng)的核心是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)和帶式輸送機(jī)的動(dòng)作協(xié)調(diào)配合，提高煤炭生產(chǎn)的自動(dòng)化水平。

(1) 綜采設(shè)備一鍵啟?？刂萍伴]鎖保護(hù)。為了實(shí)現(xiàn)“逆煤流啟動(dòng)，順煤流停止”，各設(shè)備操作人員通過喊話進(jìn)行配合。根據(jù)生產(chǎn)規(guī)程，集中控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)和帶式輸送機(jī)一鍵按序啟動(dòng)，并在每個(gè)設(shè)備啟動(dòng)時(shí)發(fā)出15 s預(yù)警，作業(yè)完成后，當(dāng)系統(tǒng)確認(rèn)運(yùn)輸設(shè)備上無煤時(shí)，綜采設(shè)備按照上述順序停機(jī)，為下次啟動(dòng)作好準(zhǔn)備。

(2) 采煤機(jī)姿態(tài)自動(dòng)調(diào)整。采用工藝段編號(hào)的方式實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)姿態(tài)調(diào)整，即工作人員提前在上位機(jī)設(shè)定工藝段，通過采煤機(jī)位置信號(hào)判斷當(dāng)前作業(yè)工藝段和運(yùn)行方向，然后向采煤機(jī)發(fā)送姿態(tài)調(diào)整控制指令。

(3) 采煤機(jī)和液壓支架協(xié)同控制。采煤機(jī)和液壓支架的協(xié)同控制非常復(fù)雜，液壓支架跟機(jī)控制包括同向幫護(hù)板回收、反向支架移駕、支護(hù)和推鎦。液壓支架系統(tǒng)通過紅外測(cè)距裝置判斷采煤機(jī)位置，然后由集中控制系統(tǒng)判斷支架編號(hào)和采煤工藝，向?qū)?yīng)支架發(fā)出動(dòng)作指令。

(4) 視頻跟機(jī)控制。視頻跟機(jī)系統(tǒng)是順槽控制中心的視覺延申。為了減少攝像頭數(shù)據(jù)量，集中控制系統(tǒng)可以根據(jù)采煤機(jī)位置實(shí)時(shí)選擇攝像頭的開閉，結(jié)合攝像頭編號(hào)即可實(shí)現(xiàn)視頻跟機(jī)控制功能。

(5) 三機(jī)載荷控制。為了防止刮板輸送機(jī)過載，將刮板輸送機(jī)的電流信號(hào)和采煤機(jī)速度結(jié)合起來，有效控制了采煤機(jī)的落煤量。載荷控制不但能夠防止刮板輸送機(jī)堆煤，而且還能避免長(zhǎng)時(shí)間輕載，提高了其運(yùn)輸效率。

4 集中控制系統(tǒng)軟件

工控軟件可以選擇匯編語言、面向?qū)ο蟾呒?jí)語言等進(jìn)行設(shè)計(jì)，但目前最為流行的還是組態(tài)軟件。綜采工作面集中控制系統(tǒng)采用了西門子公司開發(fā)的視窗控制中心，該視窗控制中心性能全面、技術(shù)先進(jìn)，且具有開源的特點(diǎn)，為本系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)、綜采工作面機(jī)載控制器通信網(wǎng)絡(luò)、過程值歸檔等提供了便利。界面設(shè)置包括操作控制、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)曲線、報(bào)警記錄和參數(shù)設(shè)置等界面。機(jī)載設(shè)備控制器與上位機(jī)之間通過TCP/IP進(jìn)行通信，通信的可靠性是集中控制可靠性的前提。過程值歸檔指的是系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)能夠暫存在數(shù)據(jù)庫中，經(jīng)系統(tǒng)處理后可存儲(chǔ)在歸檔數(shù)據(jù)庫中。通信軟件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 通信軟件架構(gòu)

5 結(jié)束語

依托于采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)和井下綜采工作面攝像頭及其監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，綜采工作面集中控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)綜采工作設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和就地、遠(yuǎn)程控制。井下綜采工作面無需人員喊話進(jìn)行配合操作，能夠提高綜采工作面的自動(dòng)化水平，提高采煤效率和安全性。