郝鑫波

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)地煤公司青磁窯礦， 山西 大同 037007）

引言

采煤機(jī)是智能化綜采工作面的核心裝備之一，是實(shí)現(xiàn)煤礦高產(chǎn)高效安全開采的核心設(shè)備，是智慧礦山建設(shè)的重要組成部分。采煤機(jī)的機(jī)械化、自動(dòng)化、數(shù)字化運(yùn)行意義非常重大。當(dāng)前煤礦井下智慧工作面采煤機(jī)在進(jìn)行自動(dòng)記憶截割作業(yè)時(shí)應(yīng)用缺陷較多，常需要人工進(jìn)行干預(yù)，采煤機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，無(wú)法對(duì)采煤機(jī)記憶截割作業(yè)提供有效的幫助，必須進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。為實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)截煤作業(yè)時(shí)相關(guān)參數(shù)信息的準(zhǔn)確采集、智能分析和有效控制，設(shè)計(jì)了以自動(dòng)記憶截割為基礎(chǔ)的采煤機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，該自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)在青磁窯礦8608 智能化工作面進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，應(yīng)用效果理想。

1 采煤機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)

采煤機(jī)自動(dòng)記憶截割技術(shù)是千萬(wàn)頓級(jí)智能化綜采裝備關(guān)鍵技術(shù)之一，但從當(dāng)前的應(yīng)用實(shí)踐來(lái)看，在復(fù)雜的井下地質(zhì)環(huán)境當(dāng)中，采煤機(jī)自動(dòng)記憶截割技術(shù)的應(yīng)用缺陷較多，實(shí)踐應(yīng)用中的自動(dòng)化程度仍然較小。對(duì)采煤機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，主要是對(duì)采煤機(jī)自動(dòng)記憶截割技術(shù)應(yīng)用中的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，能及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)自動(dòng)記憶截割技術(shù)運(yùn)行中的問(wèn)題，并對(duì)其進(jìn)行及時(shí)處理。

本次優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)后的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1 所示。主要包括S7-300PLC、傳感器、WinCC、CPS41 通信模塊、機(jī)身參數(shù)采集模塊、控制參數(shù)采集模塊、故障報(bào)警模塊等[1-2]。傳感器將采集到的機(jī)身參數(shù)和控制參數(shù)數(shù)據(jù)信息傳輸給PLC 處理模塊，通過(guò)PLCS7-300 分析處理，進(jìn)而完成采煤機(jī)在記憶截割作業(yè)過(guò)程中的實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)采煤機(jī)出現(xiàn)故障后，故障報(bào)警系統(tǒng)會(huì)發(fā)生預(yù)警警報(bào)，同時(shí)完成對(duì)采煤機(jī)機(jī)身位置、仰俯角、擺動(dòng)角度及上/下滾筒搖臂的傾斜角度等參數(shù)的采集存儲(chǔ)，為采煤機(jī)自動(dòng)記憶截割技術(shù)提供參考。優(yōu)化改進(jìn)后的采煤機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)能對(duì)采煤機(jī)自動(dòng)記憶截割技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用提供技術(shù)支持，能有效地提高智能化工作面的智能化開采水平。

圖1 采煤機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)示意圖

2 PLC 硬件選型設(shè)計(jì)

2.1 PLC 選型

PLC 控制單元是采煤機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)和核心，負(fù)責(zé)采煤機(jī)機(jī)身參數(shù)和控制參數(shù)的采集和處理，故障報(bào)警的生成、啟停聯(lián)鎖保護(hù)、記憶截割。綜合考慮選擇西門子S7-300 型PLC，CPU 為314C-2PTP 中央處理單元。PLC 控制器各功能外端接線如下頁(yè)圖2 所示。

圖2 PLC 控制器外端接線示意圖

2.2 通信模塊選型

選用S7-300 串口CP341 通信模塊，可通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接進(jìn)行通信數(shù)據(jù)交換。CP341 通信模塊設(shè)有1 個(gè)RS485 串行通信口，硬件均集成了ASCII 驅(qū)動(dòng)協(xié)議，即，通信最大距離為1 200 m。CP341 通信模塊的應(yīng)用可PLC 與上位機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換及遠(yuǎn)程操作控制，實(shí)現(xiàn)通信功能。PLC 控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)采用Profibus-DP 進(jìn)行組網(wǎng)，是一種國(guó)際性的、開放式的現(xiàn)場(chǎng)部線標(biāo)準(zhǔn)[3-4]。

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

對(duì)采煤機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，其工作流程如圖3 所示。

圖3 采煤機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)工作流程圖

對(duì)于采煤機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，主要是從監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)、自適應(yīng)記憶截割、故障報(bào)警和人工修正四大部分進(jìn)行。采煤機(jī)進(jìn)行記憶截割作業(yè)時(shí)主要分為以下四大步驟：

1）由人工操作控制采煤機(jī)進(jìn)行截割作業(yè)示范，并且通過(guò)采煤機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行時(shí)的機(jī)身各部位相關(guān)參數(shù)進(jìn)行采集，在PLCS7-300 控制系統(tǒng)分析處理后，將人工操作采煤機(jī)進(jìn)行截割作業(yè)示范時(shí)的運(yùn)行軌跡進(jìn)行記錄存儲(chǔ)[5]。

2）在進(jìn)行記憶截割時(shí)，把記錄存儲(chǔ)到的軌跡信息加載在PLCS7-300 控制上，進(jìn)而發(fā)出記憶截割作業(yè)指令，完成自動(dòng)記憶截煤作業(yè)。

3）基于井下綜采工作面環(huán)境因素影響，在采煤機(jī)自動(dòng)記憶截煤作業(yè)時(shí)，還需要對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行人工調(diào)整修正，進(jìn)而提高采煤作業(yè)的安全性和可靠性。

4）當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)采集到的采煤機(jī)工作參數(shù)出現(xiàn)異常變化時(shí)，會(huì)對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行姿態(tài)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。調(diào)整過(guò)后，如截割軌跡信息與原截割運(yùn)行軌跡數(shù)據(jù)偏差較小，則認(rèn)為是正常情況，采煤機(jī)可按調(diào)整后的軌跡繼續(xù)正常運(yùn)行。調(diào)整過(guò)后，如果截割軌跡信息與原截割運(yùn)行軌跡數(shù)據(jù)較大，則無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行截割作業(yè)，采煤機(jī)故障報(bào)警系統(tǒng)動(dòng)作，發(fā)出預(yù)警警報(bào)，人工干預(yù)，對(duì)相關(guān)異常情況進(jìn)行處理后再進(jìn)行后續(xù)的截割作業(yè)。

4 工業(yè)性試驗(yàn)應(yīng)用效果

4.1 工程概況

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)地煤公司青磁窯礦位于大同市區(qū)西12 km，十里河下游北岸，礦井井田南北長(zhǎng)4.5 km、東西寬約2.2 km，面積為10.885 1 km2。礦井核定生產(chǎn)能力為120 萬(wàn)t/年，批準(zhǔn)開采侏羅紀(jì)2-2、3 號(hào)、7-1、11-1、12-2、14-2 共6 層可采煤。開拓方式為立井-斜井混合開拓方式。共有6 個(gè)通向地面的井筒，分別為主井、副井、新東山回風(fēng)斜井、新進(jìn)風(fēng)斜井、材料斜井和竹林寺回風(fēng)立井。開采方式按水平進(jìn)行集中開采，各煤層中部布置集中大巷，集中大巷的東、西兩側(cè)分盤區(qū)進(jìn)行開采。井下運(yùn)輸大巷、運(yùn)輸順槽全部采用帶式輸送機(jī)運(yùn)輸，工作面采用刮板運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸；輔助運(yùn)輸利用軌道、蓄電池電機(jī)車和調(diào)度絞車運(yùn)輸；人員利用兩部猴車和平巷人車往返于2 號(hào)層、7 號(hào)層和11 號(hào)層。

4.2 實(shí)踐應(yīng)用及效果分析

在“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”持續(xù)推進(jìn)的背景下，集團(tuán)公司將青磁窯礦8608 工作面建設(shè)成為智能化工作面，實(shí)現(xiàn)智能化綜采，在長(zhǎng)達(dá)200 m 的工作面內(nèi)，煤流順著運(yùn)輸機(jī)流出來(lái)，整個(gè)工作面只有機(jī)巷集控室一個(gè)工作人員進(jìn)行操作。將采煤機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)在8608 智能化工作面進(jìn)行了安裝調(diào)整，并進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用。

采煤機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)工作過(guò)程中可以對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下的機(jī)身數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。采集數(shù)據(jù)主要包括上、下截割電機(jī)的電流、溫度參數(shù)，上、下?tīng)恳姍C(jī)溫度參數(shù)，上、下?lián)u臂傾角參數(shù)，機(jī)身擺動(dòng)角參數(shù)、俯仰角參數(shù)，油箱溫度參數(shù)，油壓參數(shù)，油位參數(shù)，變頻器的電流、溫度、母線電壓、牽引力參數(shù)，系統(tǒng)電壓參數(shù)，牽引方向參數(shù)，內(nèi)腔溫度參數(shù)，牽引電機(jī)溫度參數(shù)，截割電機(jī)負(fù)荷參數(shù)，液壓泵牽引電流參數(shù)等。同時(shí)對(duì)采集到的采煤機(jī)工作時(shí)的參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)可視化，為采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)記憶截煤作用的自動(dòng)化奠定了基礎(chǔ)。采煤機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)與8608 智能化工作面采煤機(jī)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)作業(yè)數(shù)據(jù)基本一致，充分說(shuō)明采煤機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用是合理可行的?？梢杂行岣卟擅簷C(jī)自動(dòng)記憶截煤作用的準(zhǔn)確度和自動(dòng)化程度，能有效降低采煤機(jī)的故障率，能有效地提高其維修效率。

5 結(jié)語(yǔ)

基于采煤機(jī)自動(dòng)記憶截煤基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了綜采工作面采煤機(jī)的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)在青磁窯礦8608智能化工作面進(jìn)行了工作性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：采煤機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行正常，實(shí)時(shí)采集到的采煤機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)基本相符，采煤機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用合理可行。采煤機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用有效地提高了8608 智能化工作面的開采效率，降低了采煤機(jī)設(shè)備的故障率，為實(shí)現(xiàn)青磁窯礦高產(chǎn)高效安全的開采目標(biāo)奠定了基礎(chǔ)。