王 帥，王海川，趙 武，楊皓博

(1.陜西彬長胡家河礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713600；2. 陜西彬長小莊礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713500)

0 引言

隨著國家科技水平的不斷發(fā)展，越來越多的智能化煤礦設(shè)備被應(yīng)用到煤礦的開采中。促進煤礦工作面的智能化建設(shè)，提高煤礦開采效率已成為眼下重要的研究方向和任務(wù)。當(dāng)前，煤礦中的設(shè)備雖部分已實現(xiàn)自動化控制，也有少部分企業(yè)逐步開展智能化礦山建設(shè)，但所建立的工作面控制系統(tǒng)功能相對單一，不能全面實現(xiàn)對煤礦設(shè)備的實時監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制[14]。大部分企業(yè)也未開展智能化工作面的建設(shè)，整個智能化工作面建設(shè)處于初級開發(fā)階段，尚有大量工作需要開展完善[56]。為此，結(jié)合胡家河煤礦402104工作面的礦井特點，開展了該工作面中自動化控制系統(tǒng)的總體設(shè)計、關(guān)鍵分系統(tǒng)研究及關(guān)鍵儀器設(shè)備的選型設(shè)計，并將所建立的控制系統(tǒng)進行了實際應(yīng)用，驗證了該控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性，實現(xiàn)了對整個工作面的智能化控制，達(dá)到了預(yù)期效果。這對提高該煤礦工作面的生產(chǎn)效率及作業(yè)安全性具有重要意義。

1 胡家河煤礦402104工作面概述

胡家河煤礦402104工作面是402盤區(qū)布置的第3個工作面，其地理坐標(biāo)范圍為X：3 891 152～3 893 345；Y：36 496 093～36 496 313。其井下具體位置為：北側(cè)為井田邊界，南側(cè)為5條大巷保護煤柱，西側(cè)為402103采空區(qū)，東側(cè)為402105綜放工作面。工作面走向長度2 180 m，傾向長度205 m，可采長度1 930 m(平距)。工作面設(shè)計4條巷道，分別為運輸巷、回風(fēng)巷、高位瓦斯抽放巷和泄水巷。工作面對應(yīng)地表位于彬縣魯家河，北部、南部為相對寬緩的黃土臺塬，中北部和中部為溝壑地貌，地表為小塊旱地及經(jīng)濟林交替配置，地表最大標(biāo)高+1 083.2 m，最低標(biāo)高+897.6 m，工作面煤層埋深587～693 m，在工作面塌陷影響范圍有魯家河村部分住戶，均已搬遷。

2 自動化控制系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)胡家河煤礦402104工作面現(xiàn)場特點，綜采工作面中以單機設(shè)備自動化為基礎(chǔ)，采用擬人手法，把人的視覺、聽覺延伸到工作面，將在危險的工作面采場工作的工人轉(zhuǎn)移到相對安全的順槽中心，建立起一套以監(jiān)控中心為核心，以工作面視頻、以太網(wǎng)、音頻遠(yuǎn)控為基礎(chǔ)的集中自動化控制系統(tǒng)，包括綜采工作面監(jiān)控中心、工作面視頻系統(tǒng)、工作面工業(yè)以太網(wǎng)、工作面控制模型、工作面語音通信系統(tǒng)等部分，實現(xiàn)在順槽監(jiān)控中心對液壓支架、刮板輸送機、采煤機、破碎機、轉(zhuǎn)載機、膠帶輸送機、泵站、開關(guān)等綜采設(shè)備進行遠(yuǎn)距離操控[79]；同時，通過各子系統(tǒng)的集成，把人的視覺、聽覺、操作延伸到工作面，實現(xiàn)在順槽監(jiān)控中心或地面對綜采設(shè)備進行遠(yuǎn)程操控，達(dá)到綜采工作面“少人化”甚至“無人化”的開采目的，該系統(tǒng)也實現(xiàn)了“兩人遠(yuǎn)程操作、工作面內(nèi)無人操作、一人巡視，無人定點監(jiān)視”的模式。自動化控制系統(tǒng)硬件如圖1所示。

圖1 自動化控制系統(tǒng)硬件Fig.1 Hardware of automation control system

3 控制系統(tǒng)中關(guān)鍵分技術(shù)設(shè)計

3.1 液壓支架跟機自動化技術(shù)

根據(jù)控制系統(tǒng)及礦井的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了液壓支架自動跟機技術(shù)。在該操控模式設(shè)計過程中，結(jié)合采煤工藝，依據(jù)工作面采場頂板壓力、傾斜角度、采煤機運行狀態(tài)、液壓支架姿態(tài)等信息，將整個采煤過程劃分為不同的階段，自動決策并控制液壓支架自動跟機移架、通過LASC自動移溜等動作，實現(xiàn)了工作面自動連續(xù)生產(chǎn)[10]。液壓支架跟機自動化現(xiàn)場示意如圖2所示。

圖2 液壓支架跟機自動化現(xiàn)場示意Fig.2 Schematic diagram of hydraulic support and machine automation site

3.2 采煤機記憶截割技術(shù)

該套控制系統(tǒng)中采用了采煤機記憶截割功能，能對采煤機運行過程中的運行姿態(tài)、運行參數(shù)、設(shè)備運行情況進行實時記憶。按照示范刀截割過程所記錄的姿態(tài)參數(shù)、工作參數(shù)、滾筒高度軌跡進行智能化運算，形成記憶截割模板，在自動截割過程中不斷修正偏差，實現(xiàn)采煤機滾筒自動調(diào)高、臥底，采煤機加速和減速等功能。

3.3 遠(yuǎn)程集中監(jiān)控技術(shù)

在順槽列車上和地面分別打造 “控制臺”。實現(xiàn)泵站和三機的遠(yuǎn)控操作，通過按下“一鍵啟?！卑粹o，工作面的設(shè)備依次順序自動啟動和停止。設(shè)備數(shù)據(jù)信號高速上傳和控制信號實時下達(dá)，控制延時不超過300 ms；當(dāng)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程出現(xiàn)特殊情況時，例如工作面頂板發(fā)生變化或液壓支架未能移架到位，影響工作面連續(xù)推進時，可及時進行人工遠(yuǎn)程干預(yù)[1112]。工作面液壓支架國產(chǎn)電控200個節(jié)點的遠(yuǎn)程控制延時小于300 ms，國產(chǎn)采煤機的遠(yuǎn)程控制延遲時間不大于200 ms，有效解決了采煤機和液壓支架的遠(yuǎn)程實時控制難題。

4 控制系統(tǒng)中關(guān)鍵部件的選型設(shè)計

4.1 礦用本安型攝像儀選型設(shè)計

綜采自動化控制系統(tǒng)配備的礦用本安型攝像儀，主要采集工作面液壓支架前后視頻圖像，并通過以太網(wǎng)傳輸?shù)街鳈C或者監(jiān)視器。因此，所選用的攝像儀外形尺寸為100 mm×72 mm×63 mm，工作電流為200 mA，最高分辨率為1 280×720(彩色)。儀器外部采用lumberg插頭進行連接，分為以太網(wǎng)接口和供電接口(殼體上有網(wǎng)、電標(biāo)識)，分別通過(網(wǎng)線)conmN/4nlumbxxx/xx和(電源線)ConmN/4nlumbxxx/xx連接器接入綜合接入器，連接器長度根據(jù)實際應(yīng)用環(huán)境確定。

4.2 礦用本安型綜采綜合接入器選型設(shè)計

綜采工作面綜合接入器將工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)作為核心通信平臺，綜合接入器內(nèi)置嵌入式管理單元、以太網(wǎng)交換單元。以太網(wǎng)的電接口，可以接入以太網(wǎng)設(shè)備，如網(wǎng)絡(luò)攝像儀；具備CAN接口，可直接接入支架控制器；具備標(biāo)準(zhǔn)的RS232、RS485，可以接入具備相應(yīng)接口的綜采設(shè)備。該儀器每隔6組液壓支架布置一臺，8C環(huán)網(wǎng)口相互之間通過網(wǎng)絡(luò)型連接器進行串聯(lián)，端頭、端尾各通過“TF型綜合接入器” 將電信號轉(zhuǎn)成光信號后再經(jīng)過光纜連接到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心為“2F型綜合接入器” 從而閉合成工作面千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)。礦用本安型綜采綜合接入器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 礦用本安型綜采綜合接入器Fig.3 Mine intrinsically safe fully mechanized mining integrated access device

4.3 監(jiān)控中心中監(jiān)控主機選型設(shè)計

監(jiān)控主機作為工作面支架電液控制系統(tǒng)信息收集和傳輸?shù)闹行恼?，通過煤礦井下環(huán)網(wǎng)可將綜采工作面數(shù)據(jù)送到地面，從而可以在地面監(jiān)控計算機上方便地監(jiān)控、查看井下實時數(shù)據(jù)參數(shù)。其主要功能為集中管理與控制，在整個工作面生產(chǎn)系統(tǒng)中處于中心位置，功能包括信息采集，數(shù)據(jù)顯示，參數(shù)設(shè)置，數(shù)據(jù)控制，數(shù)據(jù)整理，工作面控制系統(tǒng)的故障判斷，信息的上傳與下達(dá)，以及符合安全條件的控制功能。監(jiān)控主機內(nèi)含兩套主板，通過RS232、RS422、USB接口、CAN通信接口、以及顯示器接口等，對工作面支架、輸送機和采煤機等一系列設(shè)備進行集中管理和控制。

4.4 顯示器選型設(shè)計

所選用的顯示器型號為XH12(A)顯示器，該顯示器的外殼為不銹鋼材質(zhì)，使用 O 圈進行密封，該儀器防護等級達(dá)到 IP54。礦用本安型顯示器有兩個端口，如圖3(P1&P2)所示，一個端口配有快速接插光纖口，用來傳輸視頻信號，另一個端口配有一個四芯插座，用來接入12 V本安電源。整體結(jié)構(gòu)小巧，安裝方便，適用于煤礦井下，可配合監(jiān)控中心整體使用，也可單獨使用。

5 控制系統(tǒng)運行效果評價

在完成402104綜放工作面自動化控制系統(tǒng)的集合化設(shè)計后，將該自動化控制系統(tǒng)進行了實際應(yīng)用評價。在系統(tǒng)運行時，采用了安裝在工況主機上網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控軟件對整個控制系統(tǒng)進行監(jiān)測和控制。通過工況主機顯示界面，能實時對液壓支架的運行過程中的數(shù)據(jù)進行實時采集及數(shù)據(jù)顯示，并向控制系統(tǒng)報送相關(guān)數(shù)據(jù)信息。同時，實現(xiàn)了在控制中心對液壓支架、泵站和三機進行集中監(jiān)測和控制，并匯總了采煤機主機、三機、開關(guān)、電液控主機和泵站的監(jiān)控數(shù)據(jù)，最后將這些數(shù)據(jù)分別發(fā)送給各個主機。另外，該采煤機主機也實現(xiàn)了采煤機的遠(yuǎn)程控制、采煤機運行數(shù)據(jù)和采煤機故障的診斷的實時監(jiān)控，并將數(shù)據(jù)在控制中心進行了顯示。現(xiàn)場監(jiān)控顯示界面如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場監(jiān)控顯示界面Fig.4 On-site monitoring display interface

整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，各項功能運行正常，整個過程的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控及存儲均實時準(zhǔn)確，達(dá)到了預(yù)期效果，所采集的設(shè)備數(shù)據(jù)信號全面。該系統(tǒng)的應(yīng)用，提高了設(shè)備的運行效率及安全性，保障了作業(yè)人員的安全，整個環(huán)節(jié)的作業(yè)人員也大大減少，降低了企業(yè)的設(shè)備維護及人工成本，具有重要的實際應(yīng)用價值。

6 結(jié)論

實現(xiàn)礦井工作面的智能化自動控制，已成為當(dāng)前提高工作面智能化監(jiān)控及設(shè)備工作效率的重要研究方向。工作面智能化的建設(shè)，不僅能提高煤礦的開采量，也能提高設(shè)備的工作效率，降低設(shè)備的故障率，是當(dāng)前重要的發(fā)展方向。為此，以胡家河煤礦402104工作面為研究對象，開展了以液壓支架、采煤機、刮板輸送機等設(shè)備為基礎(chǔ)，包含工作面監(jiān)控中心、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等的自動化控制系統(tǒng)，并將該控制系統(tǒng)進行了現(xiàn)場應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)運行良好，數(shù)據(jù)采集精度較高，能準(zhǔn)確的對各設(shè)備的運行數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，實現(xiàn)了設(shè)備的智能化遠(yuǎn)程控制，提高了整個工作面的智能化程度，達(dá)到了預(yù)期效果。這對煤礦工作的智能化建設(shè)具有重要支撐作用。