關(guān) 偉，楊 剛，張瑋蓉，李 剛，毛清華

(1.中煤西北能源有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017200；2.西安東達(dá)馬科智能控制系統(tǒng)有限公司，陜西 西安 710075；3.烏審旗蒙大礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017307；4.西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710054；5.陜西省礦山機(jī)電裝備智能監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

0 引言

煤礦智能化是適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)革命發(fā)展趨勢(shì)、保障國(guó)家能源安全、實(shí)現(xiàn)煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐[1-2]。根據(jù)烏審旗蒙大礦業(yè)有限責(zé)任公司納林河二號(hào)煤礦3-1上102綜采工作面1.6～2.6 m中厚煤層的賦存條件：礦井瓦斯含量低，煤層易自燃，具有爆炸危險(xiǎn)性[3]，工作面平均煤厚2 m，工作面斷層少，局部有微弱的波狀起伏，構(gòu)造簡(jiǎn)單[4]。針對(duì)以上情況，研究了綜采工作面遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)綜采工作面少人化、無(wú)人化發(fā)展提供了有力的技術(shù)支撐，降低了安全隱患，提高了工作面的生產(chǎn)效率[5]。

針對(duì)綜采工作面遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究。王國(guó)法等[6]提出智慧煤礦巨系統(tǒng)綜合管理操作平臺(tái)，解決了子系統(tǒng)數(shù)據(jù)割裂、無(wú)法聯(lián)動(dòng)、無(wú)法大數(shù)據(jù)分析支持等關(guān)鍵技術(shù)。遲煥磊等[7]針對(duì)井下智能化開(kāi)采工作面的遠(yuǎn)程供電供液方式，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸給集控中心實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)設(shè)備系統(tǒng)間的系統(tǒng)控制。高小強(qiáng)[8]研究了綜采工作面自動(dòng)化系統(tǒng)，并在神東石圪臺(tái)煤礦進(jìn)行了井下工業(yè)性實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用，有效實(shí)現(xiàn)了工作面少人以及高效生產(chǎn)。王海軍[9]研究了數(shù)字式智慧綜采工作面集控系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)最終的無(wú)人開(kāi)采奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。陳旭忠等[10]研究了千萬(wàn)噸級(jí)綜放工作面設(shè)備配套及自動(dòng)控制系統(tǒng)，為建設(shè)同類(lèi)千萬(wàn)噸級(jí)綜放工作面提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。郭金剛等[11]研究綜采工作面智能化開(kāi)采路徑及關(guān)鍵技術(shù)，并以同忻煤礦8202工作面為研究對(duì)象，探索特厚煤層智能化綜放開(kāi)采模式的應(yīng)用。李首濱[12]以濱湖煤礦薄煤層、黃陵中厚煤層簡(jiǎn)單地質(zhì)條件及紅柳煤礦中厚煤層復(fù)雜地質(zhì)條件為例，論述煤礦智能化發(fā)展的技術(shù)和管理對(duì)策，為煤礦智能化發(fā)展提供理論指導(dǎo)。張建國(guó)等[13]針對(duì)平頂山礦區(qū)地質(zhì)情況，研究深部煤層智能化大采長(zhǎng)綜采工作面關(guān)鍵技術(shù)，滿(mǎn)足了安全高效生產(chǎn)的要求。

針對(duì)蒙大地質(zhì)條件，提出綜采工作面遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)，圍繞地面監(jiān)控中心、順槽控制中心以及EtherNet/IP通信技術(shù)[14]，分別對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，并在蒙大納林河二號(hào)煤礦3-1上102工作面進(jìn)行應(yīng)用，以期全面提升綜采工作面自動(dòng)化、智能化水平，為實(shí)現(xiàn)煤礦安全、高效生產(chǎn)提供借鑒，促進(jìn)煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

綜采工作面遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)工作面的綜合接入器、光電轉(zhuǎn)換器和交換機(jī)，建立一個(gè)統(tǒng)一開(kāi)放的工作面100 M工業(yè)以太網(wǎng)控制平臺(tái)[15]，將地面監(jiān)控中心與順槽控制中心有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)綜合機(jī)械化采煤工作面設(shè)備的協(xié)調(diào)管理和集中控制[16]。該系統(tǒng)總體方案如圖1所示，主要由綜采單機(jī)設(shè)備層、順槽監(jiān)控中心、地面監(jiān)控中心3部分組成。綜采單機(jī)設(shè)備層主要包括采煤機(jī)、液壓支架、刮板機(jī)、順槽皮帶、泵站、供電系統(tǒng)、語(yǔ)音、照明、視頻監(jiān)控、人員定位、環(huán)境監(jiān)測(cè)等[17]。順槽控制中心主要由采煤機(jī)控制系統(tǒng)、三機(jī)傳動(dòng)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)、支架電液控制系統(tǒng)、乳化液泵站控制系統(tǒng)、順槽皮帶機(jī)控制系統(tǒng)、皮帶自移控制系統(tǒng)、順槽超前支架電液控制系統(tǒng)、順槽設(shè)備列車(chē)電液控制系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)遙控系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)、人員識(shí)別系統(tǒng)、視頻在線(xiàn)監(jiān)視系統(tǒng)等組成[18]。地面監(jiān)控中心主要由交換機(jī)、各客戶(hù)端主機(jī)、客戶(hù)端顯示器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、硬盤(pán)錄像機(jī)、打印機(jī)等設(shè)備組成[19]。綜采單機(jī)設(shè)備層通過(guò)多種標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)接口、OPC、TCP/IP、EtherNet/IP等與順槽控制中心連接并進(jìn)行信號(hào)傳輸，由順槽控制中心發(fā)布命令信號(hào)控制井下設(shè)備工作狀態(tài)。從工作面獲取的所有數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，接入到順槽控制中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)綜采設(shè)備、環(huán)境狀態(tài)和人員狀態(tài)的視頻監(jiān)測(cè)功能，并實(shí)現(xiàn)工作面設(shè)備的遠(yuǎn)程“一鍵啟?！惫δ?。

2 地面監(jiān)控中心

在地面監(jiān)控室建立監(jiān)控中心，主要由自動(dòng)化主機(jī)、視頻主機(jī)、硬件急停等配套設(shè)施組成。利用井上下工業(yè)環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而通過(guò)地面工作面操控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)工作面設(shè)備的遠(yuǎn)程操控，并實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面設(shè)備的“一鍵啟?！盵20]，使得地面監(jiān)控中心具備顯示功能、安全功能(報(bào)警提示功能、硬件急停功能)以及遠(yuǎn)程控制功能(采煤機(jī)控制、液壓支架控制)。

2.1 地面監(jiān)控中心遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控

通過(guò)建立有屏幕顯示與系統(tǒng)控制的智能工作面操控平臺(tái)，可實(shí)時(shí)顯示全工作面運(yùn)行狀態(tài)、綜采設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、工作面環(huán)境狀態(tài)、人員狀態(tài)以及工作面視頻。遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控是由地面監(jiān)控中心，以工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)作為視頻傳輸通道，接收到井下工作面攝像系統(tǒng)上傳的視頻畫(huà)面，并分別用多個(gè)界面顯示出來(lái)。

2.2 地面監(jiān)控中心遠(yuǎn)程控制

在綜采工作面遠(yuǎn)程控制過(guò)程中，設(shè)備位置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)信號(hào)傳輸將設(shè)備狀態(tài)信息傳輸給操作臺(tái)，通過(guò)設(shè)備視頻監(jiān)控系統(tǒng)，工作人員操控操作臺(tái)發(fā)出相應(yīng)的指令，并通過(guò)數(shù)據(jù)通信總線(xiàn)與采煤機(jī)、液壓支架等設(shè)備進(jìn)行通信，將信號(hào)傳送給綜采工作面設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)綜采工作面的遠(yuǎn)程控制。同時(shí)，通過(guò)地面監(jiān)控中心視頻監(jiān)控信息，操控操作臺(tái)，通過(guò)一鍵啟停按鈕實(shí)現(xiàn)工作面設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

3 順槽控制中心

順槽控制中心是智能化綜采工作面的核心組成部分，順槽控制中心采用高效工控平臺(tái)，數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)將工作面所有數(shù)據(jù)接入到順槽控制中心，使得順槽控制中心具備數(shù)據(jù)顯示、設(shè)備控制、數(shù)據(jù)分析和生產(chǎn)管理等功能。工控平臺(tái)通過(guò)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別，采用預(yù)警報(bào)警機(jī)制，生成運(yùn)行規(guī)劃，依據(jù)所確定刮板運(yùn)輸機(jī)的實(shí)時(shí)位置曲線(xiàn)，制定采煤機(jī)路徑規(guī)劃及液壓支架自適應(yīng)規(guī)劃來(lái)實(shí)現(xiàn)智能化。順槽控制中心定期生成設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的分析報(bào)告，采用關(guān)鍵指標(biāo)的方式，反映生產(chǎn)進(jìn)度，分析故障原因，指導(dǎo)日常維修，將更換式維護(hù)轉(zhuǎn)變成預(yù)防式服務(wù)。順槽控制系統(tǒng)通過(guò)通訊系統(tǒng)獲取設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，并通過(guò)控制中心實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，可顯示出電機(jī)繞組溫度、減速器溫度、油溫、油位、冷卻水溫度和流速、工作面沿線(xiàn)閉鎖、輸送帶保護(hù)和故障報(bào)警等數(shù)據(jù)信息[21]。通過(guò)將工作面各設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、人員信息、工作面視頻以及傳感器數(shù)據(jù)等經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)接入到工控平臺(tái)，井下相關(guān)設(shè)備的數(shù)據(jù)以及地面監(jiān)控室的相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)交換機(jī)進(jìn)入到工控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)綜采工作面的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集。

工控平臺(tái)具有顯示設(shè)備運(yùn)行、環(huán)境和人員動(dòng)態(tài)等功能，根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，工控平臺(tái)能夠生成和顯示工作面三維虛擬場(chǎng)景、工作面組件受力狀況、工作面跟機(jī)視頻顯示、生產(chǎn)運(yùn)行以及設(shè)備維護(hù)數(shù)據(jù)。利用VR/AR技術(shù)在煤礦的精準(zhǔn)開(kāi)采和井下設(shè)備群多維信息集成中的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)工作面三維可視化建模，模型構(gòu)建方案如圖2所示，包括構(gòu)建三維模型、將模型導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中、設(shè)置交互邏輯3個(gè)主要環(huán)節(jié)。在建模軟件中根據(jù)綜采工作面設(shè)備的結(jié)構(gòu)及尺寸完成3D建模，在確保模型必要精確度和逼真度的同時(shí)，減少紋理精細(xì)程度，降低細(xì)節(jié)等級(jí)并減少圖形復(fù)雜度以提高系統(tǒng)運(yùn)行效率[22-24]。順槽控制中心將工作面各設(shè)備、環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)、人員信息等經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)接入到工控平臺(tái)，建立高質(zhì)量的綜采工作面及設(shè)備虛擬模型，將各傳感器數(shù)據(jù)反饋給虛擬綜采工作面，運(yùn)用數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)技術(shù)對(duì)綜采三機(jī)系統(tǒng)與采煤巷道虛擬模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正，實(shí)現(xiàn)綜采工作面設(shè)備系統(tǒng)的虛實(shí)同步控制。

圖2 基于VR/AR技術(shù)的三維綜采工作面構(gòu)建方案示意Fig.2 3D comprehensive mining face construction scheme based on VR/AR technology

4 基于EtherNet/IP的通信技術(shù)

建立工作面高速傳輸網(wǎng)絡(luò)、“無(wú)盲區(qū)”視頻監(jiān)控系統(tǒng)及實(shí)時(shí)語(yǔ)音通訊系統(tǒng)[25]，通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)將工作面建設(shè)成一個(gè)數(shù)字化工作面，不僅實(shí)現(xiàn)工作面視頻與語(yǔ)音的傳輸，還能將工作面及順槽所有電氣設(shè)備的信息進(jìn)行集成，通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。EtherNet/IP通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了煤礦裝備的通信標(biāo)準(zhǔn)，所有配套設(shè)備均具有統(tǒng)一的EtherNet/IP接口協(xié)議。通過(guò)定義不同的對(duì)象模型來(lái)實(shí)現(xiàn)EtherNet/IP通信功能，根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求級(jí)別，可以將通信任務(wù)分為遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、參數(shù)配置等，然后建立相應(yīng)的應(yīng)用對(duì)象模型[26]。對(duì)具有不同需求的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)，具有高實(shí)時(shí)性的控制數(shù)據(jù)通過(guò)基于UDP/IP協(xié)議的類(lèi)型1連接傳輸，而其他數(shù)據(jù)則通過(guò)基于TCP/IP協(xié)議的類(lèi)型3連接進(jìn)行傳輸，數(shù)據(jù)分類(lèi)處理可確保數(shù)據(jù)質(zhì)量。EtherNet/IP支持基于計(jì)算機(jī)軟件的一站式和多站通信?；贓ther Net/IP的通信架構(gòu)如圖3所示。EtherNet/IP通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議用于實(shí)現(xiàn)綜采工作面設(shè)備間的通信功能，具有良好的實(shí)時(shí)性和可靠性，并實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的地面監(jiān)測(cè)監(jiān)控。設(shè)備通過(guò)模擬煤礦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備工業(yè)以太網(wǎng)接入和互聯(lián)。

圖3 綜采工作面通信結(jié)構(gòu)Fig.3 Communication structure of fully mechanized mining face

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

綜采工作面遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，為驗(yàn)證該系統(tǒng)的可行性，在蒙大納林河二號(hào)煤礦進(jìn)行工業(yè)性實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了工作面無(wú)操作人員和兩順槽監(jiān)控人員精簡(jiǎn)到5人。

5.1 地面監(jiān)控中心遠(yuǎn)程監(jiān)控

圖4為地面監(jiān)控中心的控制平臺(tái)布局圖，在地面監(jiān)控中心可實(shí)時(shí)看到工作面的視頻畫(huà)面、順槽設(shè)備泵站、“三機(jī)”、皮帶機(jī)、開(kāi)關(guān)、采煤機(jī)、液壓支架等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，可以對(duì)人員進(jìn)行定位追蹤和對(duì)工作面環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，放置一臺(tái)視頻存儲(chǔ)服務(wù)器，最多可存儲(chǔ)15天工作面的視頻數(shù)據(jù)，既可以實(shí)時(shí)查看工作面情況，也可以利用時(shí)間線(xiàn)查看，如圖5所示。

圖4 地面監(jiān)控控制中心Fig.4 Ground monitoring control center

圖5 時(shí)間線(xiàn)查看工作面運(yùn)行情況Fig.5 Timeline to view the operation of the working face

5.2 順槽控制中心遠(yuǎn)程監(jiān)控

順槽控制中心由5臺(tái)主機(jī)和一臺(tái)觸摸操控機(jī)組成，5臺(tái)主機(jī)分別顯示工作面視頻、“三機(jī)”和采煤機(jī)控制界面、智能控制系統(tǒng)主界面、開(kāi)關(guān)和泵站的運(yùn)行狀態(tài)。觸摸操控臺(tái)可以控制工作面設(shè)備，實(shí)現(xiàn)工作面設(shè)備的單機(jī)啟停、一鍵啟停及智能化截割啟停等功能。圖6為工控平臺(tái)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，通過(guò)對(duì)工作面設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息及參數(shù)信息進(jìn)行分析，保障工作面設(shè)備運(yùn)行安全穩(wěn)定，提高生產(chǎn)效率。

圖6 順槽控制中心數(shù)據(jù)分析界面Fig.6 Data analysis interface of along the channel control center

6 結(jié)語(yǔ)

以蒙大納林河煤礦3-1上102綜采工作面為研究對(duì)象，針對(duì)其構(gòu)造簡(jiǎn)單，易發(fā)生煤塵爆炸等特點(diǎn)，研究了綜采工作面遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)。應(yīng)用結(jié)果表明，地面監(jiān)控中心通過(guò)視頻監(jiān)控實(shí)現(xiàn)了工作面設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、工作面環(huán)境監(jiān)測(cè)與人員定位監(jiān)測(cè)等，并通過(guò)操控面板實(shí)現(xiàn)設(shè)備的“一鍵啟?！辈倏兀豁槻劭刂浦行慕Y(jié)合VR/AR技術(shù)與視頻監(jiān)控實(shí)現(xiàn)了綜采工作面的三維可視化界面，并實(shí)現(xiàn)了設(shè)備系統(tǒng)間的虛實(shí)同步控制。該系統(tǒng)有效提高了整個(gè)綜采工作面系統(tǒng)的工作效率及穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)工作面的“有人巡視、無(wú)人操作、遠(yuǎn)程干預(yù)、安全高效、綠色節(jié)能”的智慧運(yùn)營(yíng)。