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        綜采工作面智能化系統(tǒng)改進(jìn)技術(shù)研究

        2022-04-08 01:19:06李彥輝
        2022年4期
        關(guān)鍵詞:電液采煤機(jī)以太網(wǎng)

        李彥輝

        (遼寧能源煤電產(chǎn)業(yè)股份有限公司,遼寧 沈陽 110014)

        隨著我國煤炭工業(yè)裝備研發(fā)和制造水平的提升,形成了不少以支架電液控技術(shù)、采煤機(jī)自主定位與記憶截割技術(shù)為核心的智能綜采裝備體系。由于煤礦智能開采技術(shù)能夠有效減少工作面的作業(yè)人數(shù)、提高工作面生產(chǎn)效率、改善工人作業(yè)環(huán)境、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度,已在全國各大礦業(yè)集團(tuán)掀起了一股智能化改造的熱潮,現(xiàn)全國智能開采工作面已達(dá)300多個(gè)。然而,目前國內(nèi)絕大部分智能開采工作面的地質(zhì)條件相對簡單,現(xiàn)有智能綜采系統(tǒng)在復(fù)雜地質(zhì)條件下的適用性研究尚未運(yùn)用。沈陽焦煤股份有限公司林盛煤田系晚古生代石炭—二疊系煤田,屬于華北賦煤區(qū)。林盛煤礦經(jīng)過40多a的開采,采場逐步向復(fù)雜條件轉(zhuǎn)移,礦井瓦斯含量高、地壓大、地質(zhì)條件復(fù)雜,實(shí)施智能化開采缺乏現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)借鑒,因此礦井聯(lián)合廠家進(jìn)行技術(shù)攻關(guān),為復(fù)雜地質(zhì)條件下智能綜采系統(tǒng)在系統(tǒng)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)等方面的持續(xù)改進(jìn)提供了建議和思路。

        1 工作面概況

        林盛煤礦位于遼寧省沈陽市南部,行政區(qū)劃屬沈陽市蘇家屯區(qū)林盛堡管轄,礦井核定生產(chǎn)能力為110萬t/a。全井田為一不對稱的傾伏向斜構(gòu)造,其西翼傾角較緩,一般為10~40°,東翼傾角較陡,傾角為20~75°。礦區(qū)可采煤層4層,即7-1、12-1、12-2、13號煤層。

        2 智能綜采系統(tǒng)存在的問題及原因分析

        2.1 通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)問題及原因分析

        對通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及數(shù)據(jù)傳輸帶寬存在的監(jiān)控視頻畫面卡頓和傳感器數(shù)據(jù)阻塞兩個(gè)問題進(jìn)行詳細(xì)分析。

        2.1.1 監(jiān)控視頻畫面卡頓

        監(jiān)控視頻畫面卡頓主要是因?yàn)楣ぷ髅嬉曨l監(jiān)控帶寬不能完全滿足所有監(jiān)控?cái)z像頭工作需要。目前的井下監(jiān)控系統(tǒng)全部依照百兆局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。

        工作面現(xiàn)有攝像頭: 60個(gè);1 080 P的傳輸碼率:4~5 Mbit/s,60個(gè)攝像頭需要帶寬:240~300 M;720 P的傳輸碼率:2~3 Mbit/s,60個(gè)攝像頭需要帶寬:120~180 M。

        可見,百兆帶寬局域網(wǎng)已經(jīng)無法完全滿足順槽集控中心通信網(wǎng)絡(luò)要求,如果未來需求繼續(xù)增加,將百兆網(wǎng)升級千兆網(wǎng)或萬兆網(wǎng)才可以緩解網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行壓力。

        2.1.2 傳感器數(shù)據(jù)阻塞

        傳感器數(shù)據(jù)阻塞,通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量下降主要是兩方面的原因造成的:①采用的CAN總線的帶寬所限;②CAN總線通信延遲。

        苗族的“交牲”習(xí)俗很特別,舉行葬禮時(shí)有交牲(類似獻(xiàn)飯),安葬之后,幾年里還有交牲。這是家族祭祀,后輩要給死去的叔伯獻(xiàn)上一頭牛,又叫祭“牛王神”。屆時(shí),要?dú)⑴?,請客,相?dāng)耗費(fèi)財(cái)力。

        1) CAN總線帶寬。CAN總線傳輸速率與通信距離的關(guān)系見表1。

        表1 CAN總線傳輸速率與通信距離的關(guān)系

        每個(gè)支架控制器需要發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)通道為14個(gè):5個(gè)行程傳感器,3個(gè)壓力傳感器,2個(gè)紅外傳感器、2個(gè)無線傳感器、2個(gè)左右鄰架傳感器。支架間的通信開銷、數(shù)據(jù)校驗(yàn)、握手應(yīng)答等需要每個(gè)支架按30個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)計(jì)算。假定每個(gè)點(diǎn)每秒產(chǎn)生1個(gè)數(shù)據(jù),每個(gè)數(shù)據(jù)占用2個(gè)字節(jié),所需通信帶寬為:

        30 ×16 × 112 = 53 760 bps = 53.76 kbps

        如果進(jìn)一步加上姿態(tài)傳感器或其他類型傳感器,基本上已經(jīng)達(dá)到了CAN總線的極限負(fù)荷。如果將來要進(jìn)一步提高工作面的智能化程度,例如:電磁先導(dǎo)閥的狀態(tài)監(jiān)控和故障預(yù)測、各類傳感器的故障預(yù)測等,需要采集大量的電氣數(shù)據(jù),且采樣頻率必須遠(yuǎn)高于1 Hz,所需的通信帶寬將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過CAN總線所能提供的帶寬。

        2) CAN總線通信延遲。信號隔離耦合器的傳輸延遲,信號傳輸過程的延遲一般為幾u(yù)s至幾ms。每4個(gè)支架1個(gè)耦合器,共有28個(gè)信號隔離耦合器。通信延時(shí)不可忽視,可能引發(fā)數(shù)據(jù)阻塞現(xiàn)象。CAN總線沒有主從之分,靠各節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級來決定通信次序,傳輸延遲可能會導(dǎo)致低優(yōu)先級的占用數(shù)據(jù)通道,造成數(shù)據(jù)阻塞。

        2.2 三機(jī)協(xié)調(diào)控制問題及原因分析

        在無人化采煤過程中,會出現(xiàn)三機(jī)控制不協(xié)調(diào)的問題,輕則影響工作效率,重則造成設(shè)備損毀,嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)工作。經(jīng)過對三機(jī)控制不協(xié)調(diào)現(xiàn)象的分析后,發(fā)現(xiàn)造成這種現(xiàn)象的主要原因是,三機(jī)的控制信息在傳輸時(shí)出現(xiàn)數(shù)據(jù)阻塞和滯后。

        三機(jī)協(xié)調(diào)控制主要由井下順槽集控中心來完成。液壓支架采用CAN總線連接,并采用了CAN-以太網(wǎng)服務(wù)器,將CAN總線格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)格式數(shù)據(jù)發(fā)送至井下順槽集控中心,采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)等其他設(shè)備采用RS485總線與485-以太網(wǎng)服務(wù)器連接,485-以太網(wǎng)服務(wù)器再通過以太網(wǎng)與井下順槽集控中心連接。

        分析三機(jī)控制信息傳輸時(shí)的數(shù)據(jù)阻塞和滯后,主要受到兩方面因素限制。一方面,采用CAN-以太網(wǎng)服務(wù)器和RS485-以太網(wǎng)服務(wù)器會在信息轉(zhuǎn)換過程中不可避免地增加一部分網(wǎng)絡(luò)延遲,造成控制指令傳輸?shù)倪t緩;另一方面,采用以太網(wǎng)來傳輸實(shí)時(shí)控制指令,有一定先天劣勢,以太網(wǎng)絡(luò)是一種通信“非確定性”網(wǎng)絡(luò),不能同時(shí)滿足實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、可靠性、安全性要求。

        2.3 采煤機(jī)定位問題及原因分析

        采煤機(jī)的精確定位作為智能化工作面長時(shí)間無人化工作的基礎(chǔ),經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐的檢驗(yàn)后,發(fā)現(xiàn)會出現(xiàn)采煤機(jī)定位不準(zhǔn)確,跳架的現(xiàn)象,影響正常生產(chǎn)工作,影響三機(jī)的協(xié)調(diào)控制。

        智能化工作面采用了采煤機(jī)編碼器為主定位裝置,支架傳感器作為校核的定位方式。但在使用紅外傳感器時(shí),需要盡可能保證紅外接送器和紅外發(fā)射器處于同一水平面,保證紅外線的接收效果。若二者高度差過大,會出現(xiàn)跳架的現(xiàn)象,所以紅外傳感器使用條件對于工作面底板的平整度有著較高的要求。采煤機(jī)牽引機(jī)構(gòu)在牽引過程中,可能會受到地形或機(jī)械磨損等影響,出現(xiàn)打滑或者空轉(zhuǎn)的現(xiàn)象,造成編碼器計(jì)數(shù)增大,另外在采煤機(jī)運(yùn)行過程中,編碼器也會不斷累計(jì)誤差,都會造成采煤機(jī)定位出現(xiàn)偏移。

        3 智能綜采系統(tǒng)改進(jìn)措施

        3.1 電液控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)化

        針對井下工作面視頻畫面卡頓和CAN總線數(shù)據(jù)阻塞兩個(gè)問題,提出了改進(jìn)方案,進(jìn)一步提高電液控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

        現(xiàn)有使用的電液控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案和改進(jìn)后的電液控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案如圖1和圖2所示。針對視頻卡頓問題,在改進(jìn)方案中建議使用千兆工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行視頻監(jiān)控信息的傳輸,千兆工業(yè)以太網(wǎng)理論最大傳輸速度為125 MB/s,可以更好地滿足現(xiàn)有工作面監(jiān)控?cái)z像頭的數(shù)據(jù)傳輸需求,也可以為今后增加監(jiān)控?cái)z像頭提供預(yù)留接口和帶寬。利用工業(yè)以太網(wǎng)代替現(xiàn)有的CAN總線,實(shí)現(xiàn)對液壓支架的控制和監(jiān)視。

        圖3對電液控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的改進(jìn)方案進(jìn)行進(jìn)一步說明。采用鏈?zhǔn)竭B接的電液控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò),增加了智能網(wǎng)關(guān)和兩個(gè)頻段的無線AP,智能網(wǎng)關(guān)專門針對液壓支架移架時(shí)出現(xiàn)的通信短線問題,采用有線傳輸和無線傳輸兩種數(shù)據(jù)傳輸方式,并且增加了備用電池,用于維持通信暢通。

        圖1 電液控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)原方案示意

        圖2 電液控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)改進(jìn)方案示意

        正常工作,即沒有出現(xiàn)線路短路時(shí),只采用有限傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;在出現(xiàn)線路短路時(shí),智能網(wǎng)關(guān)可以立即切換至無線傳輸方式,保證數(shù)據(jù)正常傳輸,并且在集控中心提示出現(xiàn)線路短路的位置,便于維修?,F(xiàn)有2.4G頻段的WIFI帶寬主要為150 M、300 M和450 M等,完全滿足傳輸液壓支架控制指令和監(jiān)控信息的要求,而5G頻段的WIFI帶寬可以達(dá)到千兆以上,可以達(dá)到視頻信息的要求。

        圖3 電液控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)改進(jìn)方案示意

        3.2 三機(jī)協(xié)調(diào)及采煤機(jī)的精準(zhǔn)定位

        采煤機(jī)的精準(zhǔn)定位是三機(jī)協(xié)調(diào)控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。實(shí)時(shí)監(jiān)測采煤機(jī)的精準(zhǔn)坐標(biāo),可以為刮板輸送機(jī)的拉直和液壓支架的移架提供準(zhǔn)確的參考?,F(xiàn)有的采煤機(jī)定位方案是智能化工作面采用采煤機(jī)編碼器為主定位裝置,支架傳感器作為校核。針對前述分析中指出現(xiàn)有方案的不足,提出一些改進(jìn)建議。

        用于采煤機(jī)定位的紅外傳感器只測量采煤機(jī)運(yùn)行至第幾個(gè)液壓支架,并沒有準(zhǔn)確地測量采煤機(jī)的精確位置,并且對于采煤機(jī)和液壓支架的相對位置差也有很高的要求,所以,需要采用無線傳感器代替紅外傳感器。作為采煤機(jī)定位的輔助方法,可以分別在采煤機(jī)和液壓支架上安裝無線傳感器,并且在排頭位置安裝1個(gè)作為基準(zhǔn)的無線傳感器。不同的無線傳感器依次與采煤機(jī)進(jìn)行通信,標(biāo)定采煤機(jī)相對于液壓支架的位置坐標(biāo),而不是采煤機(jī)的大致位置。另外,無線傳感器對于采煤機(jī)和液壓支架的相對位置差沒有限制要求,相較于紅外傳感器,應(yīng)用時(shí)更加方便。

        作為采煤機(jī)主定位裝置的編碼器存在誤差累計(jì),影響采煤機(jī)的定位準(zhǔn)確性,可以在單個(gè)編碼器的基礎(chǔ)上加入多個(gè)編碼器,提供信息的冗余,通過融合算法修正單個(gè)編碼器的誤差。另外,為了避免牽引輪打滑,其編碼器出現(xiàn)空轉(zhuǎn)現(xiàn)象,造成采煤機(jī)定位不準(zhǔn)確,可以為采煤機(jī)增加從動(dòng)輪。從動(dòng)輪不為采煤機(jī)提供動(dòng)力,不會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象,利用編碼器記錄其運(yùn)動(dòng)過程,提高采煤機(jī)定位準(zhǔn)確性。采煤機(jī)傳感器布置示意如圖4所示。

        圖4 采煤機(jī)傳感器布置示意

        圖5 組合導(dǎo)航基本框架

        現(xiàn)有的采煤機(jī)定位方式有很多種,相較于紅外傳感器和編碼器組合的定位方式,還可以采用多種傳感器組合的定位方式,例如可以加入慣性傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)、編碼器和攝像頭。組合導(dǎo)航基本框架如圖5所示。其中,慣性測量單元可以用于測量采煤機(jī)在工作面的三維坐標(biāo)和自身姿態(tài)信息;編碼器可以用于測量采煤機(jī)行進(jìn)的里程和行進(jìn)的方向;攝像機(jī)可以采用帶有景深信息的深度相機(jī);無線網(wǎng)絡(luò)可以采用UWB網(wǎng)絡(luò)測定采煤機(jī)的三維絕對坐標(biāo),周期性地對采煤機(jī)的位置信息進(jìn)行修正。多種傳感器組合的定位方式可以進(jìn)一步提高采煤機(jī)定位精度,而精確的采煤機(jī)軌跡坐標(biāo)也可以為刮板輸送機(jī)拉直和液壓支架移架提供基準(zhǔn)。

        4 結(jié) 語

        林盛煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜,實(shí)施智能開采缺乏成熟的經(jīng)驗(yàn)借鑒,通過礦井與廠家協(xié)同攻關(guān),對智能綜采系統(tǒng)在林盛煤礦復(fù)雜地質(zhì)條件下的適用性升級改造做了大量工作,針對井下工作面視頻畫面卡頓和CAN總線數(shù)據(jù)阻塞兩個(gè)問題,提出了使用千兆工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行視頻監(jiān)控信息傳輸?shù)恼拇胧?,針對三機(jī)協(xié)調(diào)及采煤機(jī)定位問題,提出了基于采煤機(jī)編碼器和支架紅外傳感器的融合定位算法,將原有的最大誤差2 m以上降低到了0.15 m以下,保證了工作面正常運(yùn)轉(zhuǎn)。該智能綜采系統(tǒng)很好地適應(yīng)了林盛煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜的特點(diǎn),為提升礦井的生產(chǎn)效率和安全生產(chǎn)水平起到了至關(guān)重要的作用,對全國復(fù)雜地質(zhì)條件礦井的智能開采有重要的借鑒意義。

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