馮銀輝，崔 耀，王旭峰，秦澤宇，王志強(qiáng)，毛自新

(1.北京天瑪智控科技股份有限公司，北京 101399;2.國(guó)能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

0 引 言

煤炭在未來較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍是我國(guó)主體能源，隨著國(guó)家“十三五”能源發(fā)展規(guī)劃的實(shí)施，安全智能、綠色高效礦井已經(jīng)成為我國(guó)煤礦發(fā)展的主要方向，其中綠色無人開采是“十三五”能源科技創(chuàng)新重點(diǎn)任務(wù)集中攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)狀況持續(xù)好轉(zhuǎn)，但開采技術(shù)條件日趨復(fù)雜[1-4]。煤礦綜采工作面作為礦井生產(chǎn)的重要場(chǎng)所，其綜采設(shè)備系統(tǒng)龐大，由液壓支架、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、膠帶輸送機(jī)、組合開關(guān)、泵站等多達(dá)十幾種、近三百臺(tái)設(shè)備組成。各設(shè)備作業(yè)條件復(fù)雜，盡管單機(jī)設(shè)備如液壓支架、采煤機(jī)等的自動(dòng)化、智能化程度取得一定進(jìn)展和突破，但仍面臨著各設(shè)備控制方式分散、不能實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的配合，無法充分發(fā)揮設(shè)備性能，開采效率低等問題[5-10]。

實(shí)現(xiàn)綜采工作面自動(dòng)化采煤是當(dāng)前國(guó)際采礦界研究的熱點(diǎn)，國(guó)外對(duì)提高設(shè)備通信效率進(jìn)行了研究[11-13]，基于以太網(wǎng)對(duì)綜采工作面采煤機(jī)、支架及相關(guān)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制及水平導(dǎo)航控制，探索了先進(jìn)、安全、高效的自動(dòng)化技術(shù)和模式，開發(fā)了集監(jiān)視、控制、自動(dòng)化、生產(chǎn)計(jì)劃管理功能于一體的系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)從本世紀(jì)初開始研究綜采自動(dòng)化技術(shù)及裝備，神東公司2008年在榆家梁煤礦建成第一個(gè)自動(dòng)化綜采工作面；陜煤黃陵公司2014年建成了地面遠(yuǎn)程操控采煤系統(tǒng)[14-16]。2016和2017年，神東公司分別在石圪臺(tái)煤礦、錦界煤礦建成自動(dòng)化綜采工作面，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程的順槽集中監(jiān)控、采煤機(jī)記憶割煤、支架自動(dòng)化跟機(jī)等功能。在6～8 m的大采高綜采工作面設(shè)備進(jìn)行研究與實(shí)踐，提出了超大采高綜采技術(shù)裝備的適應(yīng)條件及實(shí)施的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，但采煤機(jī)、液壓支架、運(yùn)輸“三機(jī)”等綜采重要設(shè)備的數(shù)據(jù)共享、協(xié)同控制、故障預(yù)警等技術(shù)還有待進(jìn)一步提升[17-20 ]。而在8 m以上大采高智能化集控技術(shù)上，研究難度大，可借鑒的成功經(jīng)驗(yàn)較少。

本研究為煤炭行業(yè)大采高綜采工作面的智能開采提供技術(shù)積累和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。通過技術(shù)研究和試驗(yàn)過程，取得一批重要關(guān)鍵創(chuàng)新性成果，建設(shè)智能大采高綜采成套技術(shù)與裝備集成研發(fā)工程示范，達(dá)到綜采工作面設(shè)備安全、高效、協(xié)調(diào)和連續(xù)運(yùn)行的目的，實(shí)現(xiàn)綜采工作面生產(chǎn)的智能化控制和安全高效綠色開采。

1 智能控制系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

智能控制系統(tǒng)以Ethernet/IP實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)總線協(xié)議為通訊標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了單軌吊集中控制室、移變列車集中控制室和地面智能專家決策平臺(tái)3個(gè)控制平臺(tái)統(tǒng)一。建立了統(tǒng)一的服務(wù)器、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，集成接入工作面煤巖識(shí)別、礦壓監(jiān)測(cè)、煤量監(jiān)測(cè)、人員定位、視頻可視化、供電、安全監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)。兩層控制模式，主從冗余控制方案，具備專家決策、供電系統(tǒng)報(bào)警、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)預(yù)警功能，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)綜采工作面的集中控制、智能協(xié)同控制。綜采智能控制系統(tǒng)功能架構(gòu)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 智能控制系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.1 Architecture design of intelligent control system

系統(tǒng)包括工作面巷道集控中心、單軌吊集控中心、地面專家決策系統(tǒng)、地面分控中心等。井下部分集成了瓦斯、粉塵安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、人員定位數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，地面部分集成了安全工程、礦壓分析、智能視頻等數(shù)據(jù)，系統(tǒng)支持移動(dòng)終端進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)查看。

1.1 系統(tǒng)集控方案設(shè)計(jì)

在井下巷道監(jiān)控中心和單軌吊集控中心，設(shè)計(jì)了主從冗余的自動(dòng)化監(jiān)控主機(jī)架構(gòu)，提高井下主機(jī)系統(tǒng)的可靠性。集控架構(gòu)部署如圖2所示。

圖2 集控部署架構(gòu)Fig.2 Architecture of centralized deployment

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了3個(gè)控制地、主從熱備、數(shù)據(jù)同步方案，實(shí)現(xiàn)與地面數(shù)據(jù)中心的同步，保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和一致性,如圖3所示。

圖3 主從設(shè)備和數(shù)據(jù)同步設(shè)計(jì)Fig.3 Master slave device and data synchronization design

系統(tǒng)建立井下、地面統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問接口和主從數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)方案，在地面、井下分別建立同步的時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，用于存儲(chǔ)各個(gè)設(shè)備系統(tǒng)共享的傳感器、電控?cái)?shù)據(jù)，采用RESTful API接口和Ethernet/IP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)整個(gè)工作面設(shè)備的監(jiān)控與數(shù)據(jù)交互的功能。

1.2 地面服務(wù)器部署方案設(shè)計(jì)

通過在地面建立服務(wù)器虛擬化業(yè)務(wù)區(qū)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的高可用，故障自動(dòng)轉(zhuǎn)移等功能；服務(wù)器存儲(chǔ)方案采用分布式存儲(chǔ)，提供高可靠性的安全存儲(chǔ)；該方案的管理、業(yè)務(wù)、存儲(chǔ)、終端相互隔離，實(shí)現(xiàn)冗余網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖4所示。

圖4 地面服務(wù)器部署方案設(shè)計(jì)Fig.4 Server deployment scheme design

2 綜采設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制模型

通過對(duì)綜采設(shè)備控制流程進(jìn)行分析建模，研發(fā)綜采工作面煤流負(fù)荷平衡控制系統(tǒng)，為巷道集中智能綜合控制系統(tǒng)提供優(yōu)化控制算法；通過監(jiān)測(cè)煤流運(yùn)輸環(huán)節(jié)的負(fù)荷能力，在過負(fù)荷的情況系下，可以反饋閉鎖控制采煤機(jī)、支架放煤和推溜等煤礦裝載過程；針對(duì)大采高場(chǎng)景，通過對(duì)綜采設(shè)備傳感器、工作面產(chǎn)量、設(shè)備故障等歷史數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制模型，實(shí)現(xiàn)綜采工作面的均衡生產(chǎn)。

2.1 采煤機(jī)聯(lián)動(dòng)控制模型

1)采煤機(jī)速度設(shè)定值受刮板輸送機(jī)負(fù)荷狀態(tài)的影響，同時(shí)為了防止刮板輸送機(jī)堆煤，在刮板輸送機(jī)低速時(shí)，根據(jù)設(shè)定值，降低采煤機(jī)速度，當(dāng)刮板輸送機(jī)故障時(shí)，采煤機(jī)聯(lián)動(dòng)降速停機(jī)。采煤機(jī)速度上限值主要依據(jù)液壓支架的追機(jī)速度而定，見表1,其中v0為采煤機(jī)額定速度。此外，采煤機(jī)聯(lián)動(dòng)控制模型集成了采煤機(jī)和支架的碰撞檢測(cè)和預(yù)防功能，控制策略形式見表2。

表1 采煤機(jī)速度設(shè)定值v與刮板輸送機(jī)負(fù)荷關(guān)聯(lián)

表2 采煤機(jī)控制輸入

2.2 “三機(jī)”聯(lián)動(dòng)控制模型

刮板輸送機(jī)的前級(jí)設(shè)備為采煤機(jī)，刮板輸送機(jī)速度應(yīng)與采煤機(jī)速度相互匹配，同時(shí)也受到后級(jí)的轉(zhuǎn)載機(jī)負(fù)荷的約束，而轉(zhuǎn)載機(jī)轉(zhuǎn)速與刮板輸送機(jī)單位時(shí)間運(yùn)輸煤量相互匹配。除此之外，依據(jù)機(jī)頭平行電機(jī)電流、機(jī)頭垂直電機(jī)電流、機(jī)尾電機(jī)電流，“三機(jī)”聯(lián)動(dòng)控制模型輸出運(yùn)輸機(jī)負(fù)荷值，作為采煤機(jī)聯(lián)動(dòng)控制模塊和轉(zhuǎn)載機(jī)聯(lián)動(dòng)控制模塊的輸入，以使刮板輸送機(jī)與采煤機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)負(fù)載合理匹配，見表3。

表3 刮板輸送機(jī)控制輸入

轉(zhuǎn)載機(jī)的后級(jí)設(shè)備為刮板輸送機(jī)，轉(zhuǎn)載機(jī)轉(zhuǎn)速受限于刮板輸送機(jī)的負(fù)荷大小，根據(jù)刮板輸送機(jī)負(fù)荷的高低主動(dòng)調(diào)節(jié)；刮板輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定值與轉(zhuǎn)載機(jī)負(fù)荷相互匹配。同時(shí)該模型通過破碎機(jī)電機(jī)電流計(jì)算破碎機(jī)負(fù)荷大小，根據(jù)結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，以使煤塊能夠充分破碎，見表4。

表4 轉(zhuǎn)載機(jī)轉(zhuǎn)速上限和刮板輸送機(jī)負(fù)荷，破碎機(jī)負(fù)荷關(guān)聯(lián)

2.3 支架、泵站聯(lián)動(dòng)控制模型

支架聯(lián)動(dòng)控制通過計(jì)算移架速度和防碰撞距離，確定隔架或順序移架策略，為采煤機(jī)聯(lián)動(dòng)控制模塊服務(wù)，使采煤機(jī)和支架能夠良好協(xié)同工作。

供液壓力是移架速度和支架追機(jī)速度的重要影響因素，根據(jù)采煤機(jī)實(shí)際速度合理調(diào)整泵站供液壓力設(shè)定值，以使移架和追機(jī)速度滿足采煤機(jī)在多種速度運(yùn)行時(shí)的需要，支架泵站控制輸入見表5。

表5 支架、泵站控制輸入

3 集中與協(xié)同控制

3.1 設(shè)備集中遠(yuǎn)控

在集控模式下，地面及井下的集控系統(tǒng)可遠(yuǎn)程控制采煤機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)采煤機(jī)的電氣控制、保護(hù)和遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)智能割煤。

該系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制“三機(jī)”，能夠?qū)伟遢斔蜋C(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)的控制與監(jiān)控預(yù)警，實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)智能化運(yùn)行；遠(yuǎn)程控制乳化泵、噴霧泵，設(shè)備啟停，根據(jù)液壓支架動(dòng)作的需液量，調(diào)節(jié)變頻泵的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)智能供液；遠(yuǎn)程控制工作面液壓支架，通過液壓支架配套的傳感器電控系統(tǒng)對(duì)液壓支架的成組推溜和跟機(jī)拉架進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和遙控控制，實(shí)現(xiàn)智能支護(hù)。采煤機(jī)遠(yuǎn)程啟動(dòng)邏輯圖如圖5所示。

圖5 采煤機(jī)順啟邏輯Fig.5 Sequence starting logic of shearer

3.2 設(shè)備協(xié)同控制

基于集控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制功能，研發(fā)綜采設(shè)備協(xié)同控制模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)、支架、三機(jī)協(xié)同作業(yè)的控制，軟件界面如圖6所示，同時(shí)實(shí)現(xiàn)供電、供排水等輔助系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)控制，實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)、采煤機(jī)、拉架匹配度速度自適應(yīng)控制。協(xié)同控制模型可根據(jù)工作面瓦斯傳感器監(jiān)測(cè)，瓦斯超限達(dá)到斷電值后，自動(dòng)切斷工作面所有電源可對(duì)工作面的所有移變進(jìn)行分閘；通過分析采煤機(jī)運(yùn)行速度與液壓支架動(dòng)作頻率之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)位置和速度的液壓支架姿態(tài)自適應(yīng)控制方法，建立綜采工作面協(xié)同閉環(huán)控制模型；系統(tǒng)在集控模式下具有煤機(jī)與刮板輸送機(jī)、噴霧泵聯(lián)動(dòng)功能，建立基于液壓支架動(dòng)作統(tǒng)計(jì)的供液壓力動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)的壓力輸出協(xié)同控制模型，使液壓支架能夠獲得較為穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)壓力；通過激光斷面煤流量監(jiān)測(cè)裝置，監(jiān)測(cè)煤流量，控制采煤機(jī)速度，采煤機(jī)協(xié)同控制流程圖如圖7所示。

圖6 協(xié)同控制界面Fig.6 Interface of collaborative control

圖7 采煤機(jī)協(xié)同控制流程Fig.7 Flow of collaborative control of shearer

3.3 集控平臺(tái)

單軌吊控制室設(shè)置在巷道自移機(jī)尾處，安裝在單軌吊上，便于工作面回采時(shí)控制室移動(dòng)；單軌吊控制中心可與設(shè)備列車集控中心實(shí)現(xiàn)主從冗余備份，在單軌吊控制室可實(shí)現(xiàn)“三機(jī)”、支架、采煤機(jī)、供電及可視化系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，在集控模式下實(shí)現(xiàn)“三機(jī)”、泵站、移變、煤機(jī)的設(shè)備啟停，如圖8所示。

圖8 單軌吊監(jiān)控中心設(shè)計(jì)Fig.8 Design of monorail crane monitoring center

巷道監(jiān)控中心設(shè)置在設(shè)備列車中部，監(jiān)控中心與單軌吊控制室實(shí)現(xiàn)主從冗余，在監(jiān)控中心可實(shí)現(xiàn)“三機(jī)”、支架、采煤機(jī)、供電及可視化系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，在集控模式下實(shí)現(xiàn)“三機(jī)”、泵站、移變、采煤機(jī)(需開放控制接口)的設(shè)備啟停，如圖9所示。

圖9 監(jiān)控系統(tǒng)軟件運(yùn)行效果Fig.9 Operation effect of channel monitoring center system

4 智能分析專家決策系統(tǒng)

智能分析專家決策系統(tǒng)由人工智能算法、專家診斷系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)和規(guī)則引擎組成。借助人工智能的算法分析工作面設(shè)備歷史數(shù)據(jù)規(guī)律，采用圖形化編程的規(guī)則引擎引入專家規(guī)則經(jīng)驗(yàn)，將算法和經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合形成綜采工作面生產(chǎn)特有的知識(shí)規(guī)則，最后融入專家診斷系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)，構(gòu)建了閉環(huán)決策。

4.1 故障識(shí)別算法

系統(tǒng)通過對(duì)設(shè)備工況歷史數(shù)據(jù)挖掘，形成一個(gè)設(shè)備或工藝過程的正常運(yùn)行模型，并將其與實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析比較，計(jì)算出當(dāng)前值和模型預(yù)測(cè)值之間的偏差，當(dāng)這個(gè)偏差值大于一定范圍，或這一差值有繼續(xù)放大的趨勢(shì)時(shí)，說明設(shè)備存在某類故障苗頭或劣化趨勢(shì)，并提醒設(shè)備管理人員把隱患消除在萌芽狀態(tài)之內(nèi)，從而提高設(shè)備的可靠性。

當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障預(yù)警時(shí)，設(shè)備的相關(guān)參數(shù)都會(huì)偏離模型的預(yù)測(cè)值。系統(tǒng)提供設(shè)備各參數(shù)貢獻(xiàn)率的柱狀圖，直觀展現(xiàn)各參數(shù)對(duì)設(shè)備故障報(bào)警的貢獻(xiàn)程度。用戶可根據(jù)貢獻(xiàn)率初步定位設(shè)備故障的原因。然后，用戶可查看相關(guān)參數(shù)的相對(duì)偏差或者絕對(duì)偏差的變化，鎖定設(shè)備故障的原因，如圖10所示。

圖10 模型整體余量的偏差分析Fig.10 Deviation analysis of overall model allowance

4.2 規(guī)則引擎

系統(tǒng)提供強(qiáng)大的規(guī)則引擎和專家診斷系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)為用戶的決策提供重要的參考。規(guī)則引擎實(shí)現(xiàn)將業(yè)務(wù)決策從應(yīng)用程序代碼中分離出來，調(diào)用集控系統(tǒng)點(diǎn)表數(shù)據(jù)，采用預(yù)定義的圖形化模塊編寫業(yè)務(wù)決策。具體功能為輸入數(shù)據(jù)，解釋業(yè)務(wù)規(guī)則，并根據(jù)業(yè)務(wù)規(guī)則做出業(yè)務(wù)決策，如圖11所示。

圖11 規(guī)則引擎示例Fig.11 Example of rule engine

4.3 專家診斷系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)

專家診斷系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)是結(jié)構(gòu)化、易操作、全面有組織的綜采設(shè)備知識(shí)集群。這些知識(shí)片包括理論知識(shí)、事實(shí)數(shù)據(jù)，由專家經(jīng)驗(yàn)得到的啟發(fā)式知識(shí)，以及綜采設(shè)備常識(shí)性知識(shí)等，為決策算法和規(guī)則引擎提供故障維修建議。

該知識(shí)庫(kù)目前已經(jīng)存儲(chǔ)218條設(shè)備故障與維修知識(shí)。知識(shí)庫(kù)與決策算法和規(guī)則引擎聯(lián)動(dòng)，根據(jù)發(fā)生故障提供維修建議，并反饋到前端界面；使監(jiān)控人員及時(shí)有效干預(yù)，同時(shí)提高了工人檢修效率。

5 結(jié) 論

1)設(shè)計(jì)了智能控制平臺(tái)的總體架構(gòu)，開發(fā)了綜采設(shè)備控制模型，制定了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)方案和訪問接口，研發(fā)了智能化控制系統(tǒng)軟件。建立集控中心，實(shí)現(xiàn)馬蒂兒?jiǎn)诬壍蹩刂剖遗c順槽監(jiān)控中心的主從冗余，集中控制，并在地面搭建數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器集群，在綜采隊(duì)部署了地面分控中心。

2)系統(tǒng)分析了大采高綜采面設(shè)備的工作特點(diǎn)，打通了綜采面設(shè)備的控制權(quán)限，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)、“三機(jī)”、支架和泵站等設(shè)備遠(yuǎn)控及一鍵啟停，與粉塵傳感器聯(lián)動(dòng)智能降塵；研究通過集控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)、支架、“三機(jī)”協(xié)同作業(yè)的控制，同時(shí)通過邏輯控制關(guān)系實(shí)現(xiàn)供電、供排水等輔助系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)控制，開發(fā)刮板輸送機(jī)、采煤機(jī)、拉架匹配度速度自適應(yīng)控制模型。

3)從大采高綜采面集中控制和協(xié)同控制等方面，開發(fā)了綜采面設(shè)備監(jiān)測(cè)、智能分析專家決策系統(tǒng)軟件，并將預(yù)警結(jié)果輸出到集控平臺(tái)，指導(dǎo)安全生產(chǎn)。