杜 偉

（汾西礦業(yè)新產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限責(zé)任公司綜合修配廠， 山西 介休 032000）

引言

采煤工作面煤炭開采主要通過采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)等設(shè)備相互配合實(shí)現(xiàn)，提高采煤工作面開采設(shè)備綜合自動化水平，對提升煤炭開采效率、安全保障能力等均有顯著的促進(jìn)意義[1-3]?，F(xiàn)階段礦井采煤工作面綜采設(shè)備控制存在功能不完備、不同設(shè)備間聯(lián)動需要手動控制等問題，無法滿足煤炭高效生產(chǎn)需要[4-5]。為此，文中以山西某礦20305 綜采工作面煤炭開采為工程背景，依據(jù)采面實(shí)際情況對工作面綜合自動化系統(tǒng)進(jìn)行研究，以期能在一定程度上提升采面煤炭生產(chǎn)效率。

1 20305 綜采工作面工程概況

山西某礦20305 綜采工作面回采3 號煤層，煤層厚度3.5 m、埋深350 m、傾角6°，采面設(shè)計走向長280 m、推進(jìn)距離1 105 m，開采范圍內(nèi)煤層賦存條件較好，回采巷道掘進(jìn)以及物探探測均未發(fā)現(xiàn)有對生產(chǎn)影響較為明顯的褶曲、斷層等地質(zhì)構(gòu)造，具體采面開采設(shè)備配備情況見表1 所示。3 號煤層頂板為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，質(zhì)地堅硬，局部發(fā)育層理發(fā)育；底板黏土巖強(qiáng)度及承載能力較低，遇水容易膨脹。

表1 采面綜采設(shè)備配備情況

為提升礦井煤炭綜合開采效率，改善采面作業(yè)人員工作環(huán)境質(zhì)量并降低勞動強(qiáng)度，提出在20305綜采工作面回采期間采用綜合自動化控制技術(shù)，以期通過該技術(shù)實(shí)現(xiàn)綜采設(shè)備的自動化控制。文中就對采面使用的綜合自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能以及現(xiàn)場應(yīng)用情況進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2 自動化控制系統(tǒng)方案

2.1 綜采設(shè)備運(yùn)行分析

20305 綜采工作面內(nèi)綜采設(shè)備主要由采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、破碎機(jī)以及帶式輸送機(jī)等構(gòu)成，其中采煤機(jī)、液壓支架以及刮板輸送機(jī)等是煤炭開采的核心設(shè)備。20305 綜采工作面使用的MG500/1180WD 由截割部、牽引部、電氣裝置以及輔助裝置等構(gòu)成。

采煤機(jī)在刮板輸送機(jī)導(dǎo)軌上運(yùn)行，并通過電機(jī)牽引機(jī)構(gòu)提供運(yùn)行動力，利用前后截割滾筒割煤，并調(diào)整滾筒截割高度、采煤機(jī)形式方向等實(shí)現(xiàn)采面煤炭截割。液壓支架用以支撐采面頂板，同時推移刮板輸送機(jī)。具體綜采設(shè)備運(yùn)行見圖1 所示。

圖1 綜采設(shè)備運(yùn)行示意圖

2.2 自動化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自動化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括巷道監(jiān)控中心、地面遠(yuǎn)程監(jiān)控中心以及設(shè)備控制層等[6-7]。巷道監(jiān)控中心用以井下調(diào)度指揮，實(shí)現(xiàn)采面內(nèi)視頻監(jiān)控、綜采設(shè)備控制參數(shù)調(diào)整，并依據(jù)采面現(xiàn)場情況向“三機(jī)”控制器發(fā)出指令，調(diào)整“三機(jī)”運(yùn)行狀態(tài)；巷道監(jiān)控中心配備有隔爆電源、支架控制器以及三機(jī)控制器。綜采設(shè)備控制層包括采煤機(jī)、液壓支架以及刮板輸送機(jī)等控制系統(tǒng)，按照“三機(jī)”控制器發(fā)出指令完成動作控制。具體采面自動化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2 所示。

圖2 采面自動化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

自動化控制系統(tǒng)應(yīng)用目的是解決綜采工作面“三機(jī)”協(xié)同控制問題，具體功能為：

1）采煤機(jī)在割煤前按照預(yù)先設(shè)定順序依次啟動刮板輸送機(jī)、噴霧降塵裝置，采煤結(jié)束后依次關(guān)閉各設(shè)備運(yùn)行；

2）控制系統(tǒng)采集采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、位置以及速度等信號，并自動實(shí)現(xiàn)液壓支架前移、推溜等工作；

3）監(jiān)測刮板輸送機(jī)負(fù)載，控制采煤機(jī)推移速度，確保刮板輸送機(jī)負(fù)載在合理范圍內(nèi)；

4）自動化控制系統(tǒng)可采用傳感器實(shí)時采集“三機(jī)”運(yùn)行參數(shù)，并傳輸?shù)缴衔粰C(jī)存儲、顯示。自動化控制系統(tǒng)中巷道監(jiān)控中心采用現(xiàn)場總線方式與“三機(jī)”控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，“三機(jī)”控制器則通過RS485串口通信方式連接各個設(shè)備，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間信息傳輸。

2.3 自動化控制技術(shù)

采面自動化控制系統(tǒng)采用的技術(shù)方案見圖3 所示?！叭龣C(jī)”控制器根據(jù)采煤機(jī)位置信號向液壓支架控制器發(fā)出指令，實(shí)現(xiàn)液壓支架前移自動控制。液壓支架控制器間采用總線組網(wǎng)，與驅(qū)動器、電源以及傳感器等相互配合組成液壓支架控制系統(tǒng)，采用的傳感器主要包括位移傳感器、壓力傳感器；刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)包括液力耦合器；電機(jī)、運(yùn)輸結(jié)構(gòu)以及減速器等，在運(yùn)行過程中可通過監(jiān)測工作電流預(yù)測刮板輸送機(jī)負(fù)載，在確保刮板輸送機(jī)可靠運(yùn)行前提下充分發(fā)揮刮板輸送機(jī)運(yùn)載能力。

圖3 自動化控制系統(tǒng)運(yùn)行控制技術(shù)框圖

3 自動化控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3.1 “三機(jī)”控制器

“三機(jī)”控制器是綜采工作面自動化控制系統(tǒng)中的核心組成設(shè)備，負(fù)責(zé)“三機(jī)”運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測以及協(xié)同控制?！叭龣C(jī)”控制器對接收到的采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)以及液壓支架等運(yùn)行參數(shù)，并依據(jù)采煤機(jī)速度、位置等向液壓支架控制器發(fā)出指令，“三機(jī)”控制器需要向各設(shè)備發(fā)出動作指令，因此對通信接口模塊可靠性以及功能要求較高。

依據(jù)現(xiàn)場需要，在20305 綜采工作面自動化控制系統(tǒng)中選用的“三機(jī)”控制器為S7-300PLC，該設(shè)備CUP 型號為CPU317-2PN/DP，具備有各模擬量輸入、輸出模塊，供電采用24 V 開關(guān)電源。S7-300PLC 運(yùn)行計算速度控制在1 μs，隨機(jī)有DP 接口，便于采煤機(jī)、液壓支架以及刮板輸送機(jī)等控制系統(tǒng)組網(wǎng)通信。

3.2 傳感器

在自動化控制系統(tǒng)中需要對采煤機(jī)運(yùn)行速度、位置等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時采集，具體可通過在減速器上安裝編碼器（HEDS-5540）實(shí)現(xiàn)，編碼器額定工作電壓5 V、防塵能力5G、每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)500，可滿足采煤機(jī)監(jiān)控需求。

液壓支架采用SLM211 壓力傳感器監(jiān)測立柱壓力，測定范圍0～80 MPa；液壓支架行程監(jiān)測采用GUD960 傳感器，最大監(jiān)測行程960 mm。刮板輸送機(jī)工作電流監(jiān)測采用CLD200 傳感器，測量誤差控制在±0.2%（FS）。

4 結(jié)語

實(shí)現(xiàn)綜采工作面內(nèi)主要開采設(shè)備的綜合自動化控制對提升煤炭開采效率以及安全保障能力等均有顯著促進(jìn)意義。以20305 綜采工作面為工程背景，針對采面實(shí)際情況設(shè)計了自動化控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)、液壓支架以及刮板輸送機(jī)運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測、傳輸、處理等，有效提高采面開采設(shè)備綜合自動化水平，并避免設(shè)備配合失誤導(dǎo)致的各類故障發(fā)生。20305 綜采工作面通過使用綜合自動化控制系統(tǒng)，有效提高了采面生產(chǎn)效率。