李春華 孫 曉 寧 權(quán)

（陜西長武亭南煤業(yè)有限責任公司，陜西 咸陽 713600）

煤礦綜采工作面的無人化是實現(xiàn)煤礦高產(chǎn)高效安全開采的基礎(chǔ)，主要是指綜采工作面實施智能化控制功能，實現(xiàn)了工作面無人操作開采。主要技術(shù)特征有采煤機智能控制，采煤機可以自己定位，計劃軌跡，碰見煤矸石自動躲避，基于產(chǎn)量要求和機器負荷調(diào)整速度等；通過智能感知和視頻監(jiān)控系統(tǒng)傳送的工作面圖像，人工遠程實時干預(yù)，只需要極少數(shù)的人現(xiàn)場巡視檢查，人身安全得到了極大的保障。采煤機是整個無人化開采系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，記憶截割技術(shù)是實現(xiàn)智能化、無人化開采的必備條件[1]。

亭南煤業(yè)智能化采煤工作面原采煤機進行自動記憶截割作業(yè)時存在需要人工干預(yù)、數(shù)據(jù)采集不準確、無法實現(xiàn)實時監(jiān)控等問題，針對性設(shè)計了用于采煤機自動記憶割煤的監(jiān)控系統(tǒng)[2]，并將該自動監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于亭南煤業(yè)2408 工作面進行實際運行測試，效果理想。

1 工程概況

1.1 概況

亭南煤業(yè)礦井位于陜西省咸陽市長武縣城東20 km 處的亭口鎮(zhèn)亭南村附近，井田面積35.5 km2，地質(zhì)儲量39 883 萬t，可采儲量18 429 萬t，設(shè)計生產(chǎn)能力450 萬t/a，服務(wù)年限30.7 a。該礦目前開采侏羅系4 號煤層，埋深401.32～788.60 m，一般500～700 m，煤層厚度1.00～23.24 m，煤層平均厚度11.05 m，煤層傾角為2°～7°，煤層平均傾角為5°。礦井布置有主立井、副立井、進風立井和回風立井，采用中央分列式通風方式，抽出式通風方法，即主立井、副立井、進風立井進風，回風立井回風[3]。

亭南煤業(yè)井下回采工作面采用ZF8600/24/45 四柱低位放頂煤液壓支架，采用MG500/1200-AWD交流電牽引采煤機，采用SGZ880/800 型前后刮板輸送機，整體采煤機械化程度為100%[4]。

1.2 自動記憶截割應(yīng)用中的問題分析

亭南煤業(yè)在原智能化工作面智能化采煤作業(yè)中采用了自動記憶截割技術(shù)，采煤機控制系統(tǒng)實時采集工作面采高、傾角、俯仰角、速度、方向等信息，并以5 cm 為間隔做即時映射，生成截割曲線模型。從智能化工作面現(xiàn)場實踐情況來講，這種傳統(tǒng)自動記憶截割技術(shù)無法實現(xiàn)采煤機的全自動化截煤，采煤機自動記憶截割運行期間，大部分時間內(nèi)仍然需要進行人工干預(yù)，如工作面出現(xiàn)條件變化，依靠無盲區(qū)視頻監(jiān)控，人工干預(yù)調(diào)整截割高度并修正曲線模型[5]。另外原自動記憶截割技術(shù)中所求采煤機自身各參數(shù)信息沒有辦法實現(xiàn)實時在線監(jiān)測，如工況發(fā)生大的變化則會導(dǎo)致采煤機發(fā)生故障，采煤機停機檢修影響設(shè)備的自動化程度[6]。

針對亭南煤業(yè)采煤機自動記憶截割技術(shù)中存在需要人工干預(yù)、數(shù)據(jù)采集不準確、無法實現(xiàn)實時監(jiān)控、自動化程度落后等問題，設(shè)計用于采煤機智能化自動記憶割煤監(jiān)控系統(tǒng)，在液壓支架上安裝紅外傳感器，在采煤機上安裝D 型齒輪傳感器和帶慣性組件的導(dǎo)航系統(tǒng)，可對采煤機截煤作業(yè)運行期間機身參數(shù)進行實時監(jiān)測和調(diào)控，可提高采煤機記憶截煤精準程度和降低采煤機的故障發(fā)生率[7]。

2 自動記憶截割原理及記憶策略

2.1 自動記憶截割原理

亭南煤業(yè)智能化工作面采煤機自動記憶截割可劃分人工操作截煤示范階段和采煤機自動記憶截割階段。人工操作截煤示范階段：采煤機在進行第一次截煤作業(yè)時需要人工輔助操作，現(xiàn)場工作人員需要手動控制采煤機完成機頭→機尾→機頭的1 個循環(huán)截煤，將該循環(huán)截煤期間采煤機自身運行數(shù)據(jù)進行采集并儲存；采煤機自動記憶截割階段：以示范階段采煤機運行數(shù)據(jù)為依據(jù)，進一步調(diào)整采煤機運行姿態(tài)，實現(xiàn)采煤機自動化截煤[8]。

新設(shè)計的自動監(jiān)控系統(tǒng)自動記憶截割原理如下：采煤機自動記憶截割如圖1 所示，采用自動監(jiān)控系統(tǒng)在整個綜采工作面按照等距采集采煤機截煤一刀煤過程中的運行數(shù)據(jù)，當采煤機完成第i刀后將采集到的運行數(shù)據(jù)進行存儲。在采煤機進行下一刀（第i+1 刀）時可根據(jù)上一刀（第i刀）的運行數(shù)據(jù)進行采煤機運行姿態(tài)的自動調(diào)控。第i+1 刀結(jié)束，在進行第i+2 刀作業(yè)時如作業(yè)工況發(fā)生重大變化，通過自動監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對采煤機自適應(yīng)調(diào)整。將自適應(yīng)調(diào)整后的數(shù)據(jù)做為第i+3刀的截煤依據(jù)[9]。

圖1 自動記憶截割示意圖

2.2 記憶截割數(shù)據(jù)信息采集原理

自動監(jiān)控系統(tǒng)需要對采煤機常規(guī)點、特殊點、關(guān)鍵點數(shù)據(jù)進行信息采集，為采煤機自適應(yīng)調(diào)控提供依據(jù)。采煤機截割作業(yè)過程當中自身工作參數(shù)及自動記憶截割數(shù)據(jù)的采集是同時進行的，兩者常規(guī)采樣點均按采煤機行走等距離定點進行。

2.3 自動記憶方案策略

采煤機截割作業(yè)時采集數(shù)據(jù)較多，系統(tǒng)無法及時對采集的所有信息進行存儲，為有效實現(xiàn)采煤機的自動記憶截割作業(yè)，防止關(guān)鍵信息丟失，有必要制定有效的自動記憶方案策略，在保證采煤機正常自動記憶截割基礎(chǔ)上盡量優(yōu)化記憶點減少數(shù)據(jù)的存儲空間。

記憶方案策略：采煤機記憶截割作業(yè)過程中，記憶節(jié)點主要有常規(guī)記憶點、關(guān)鍵記憶點和特殊記憶點。對于常規(guī)記憶點全部采取等距離方案進行數(shù)據(jù)點記錄；接收調(diào)整采煤機工作狀態(tài)的節(jié)點為關(guān)鍵記憶點，關(guān)鍵記憶點為記憶點的核心組成部分；對于采煤機自身出現(xiàn)異常的節(jié)點為特殊記憶點，即采煤機進行自適應(yīng)調(diào)整控制時的節(jié)點。采煤機記憶截割作業(yè)過程中對采集數(shù)據(jù)信息數(shù)量和種類進行優(yōu)化，實現(xiàn)常規(guī)記憶點、關(guān)鍵記憶點和特殊記憶點的有效結(jié)合，提高監(jiān)控系統(tǒng)存儲空間的有效利用。

3 采煤機自動監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)

井下工作面工作環(huán)境惡劣，有必要對采煤機監(jiān)控系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計。第一可以提高采煤機記憶割煤的自動化程度，減少工作人員工作量，實現(xiàn)無人化和少人化作用；第二可以對采煤機進行全面監(jiān)控，最大程度降低采煤機發(fā)生故障概率，提高采煤機的工作效率。

采煤機自動監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計目標：設(shè)計一種基于記憶割煤方法采煤機自動監(jiān)控系統(tǒng)，對采煤機截煤作業(yè)運行期間機身各部分參數(shù)進行實時監(jiān)測和調(diào)控，提高采煤機記憶截煤精準程度和降低采煤機的故障發(fā)生率。

自動監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖2，主要有WinCC、Profibus-DP、S7-300PLC、機身參數(shù)采集模塊、控制參數(shù)采集模塊、CP341 通信模塊、各類傳感器等部件。各類傳感器將采集數(shù)據(jù)信息傳輸給PLC 控制器，信息處理后通過Profibus-DP 現(xiàn)場總線與上位機完成數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)采煤機自動記憶截割作業(yè)信息數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控。當采煤機運行過程中出現(xiàn)故障后，自動監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測到后會進行故障報警，及時進行維修保養(yǎng)處理。該自動監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)的監(jiān)控內(nèi)容主要有油位、變頻器母線電壓、左截割電機電流、右截割電機電流、牽引泵電流、變頻器電流、內(nèi)腔溫度、油箱溫度等。

圖2 自動監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)

4 自動監(jiān)控系統(tǒng) PLC 硬件選型和軟件設(shè)計

4.1 PLC 硬件選型

4.1.1 PLC 選型

該采煤機自動監(jiān)控系統(tǒng)選用SIEMENS S7-300 PLC， CPU 313C-2 PTP，緊湊型CUP 含MPI，16數(shù)字量輸入/16 數(shù)字量輸出，3 個高速計數(shù)器（30 kHz），集成接口RS-485，集成24 V DC 電源，128 kB 工作存儲區(qū)。該SIEMENS S7-300 PLC 可適用于惡劣的工作環(huán)境，在煤礦等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)低成本的解決方案。PLC 外端接線如圖3 所示。

圖3 PLC 外端接線示意圖

4.1.2 通信模塊選型

設(shè)計中選取CP341 通信模塊， 以實現(xiàn)點對點通信，參數(shù)分配點對點通信。CP341 通信模塊設(shè)置有RS-485 集成串行接口，最遠通信距離可達1200 m。CP341 通信模塊通過Profibus-DP 實現(xiàn)與上位機的通信。

4.2 自動監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

采煤機自動監(jiān)控系統(tǒng)控制流程如圖4。

圖4 采煤機自動監(jiān)控系統(tǒng)控制流程示意圖

該采煤機自動監(jiān)控系統(tǒng)中，應(yīng)用模塊化的設(shè)計思想，將其設(shè)計為監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、自適應(yīng)記憶截割、監(jiān)控報警和人工修正四大部分。

監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集：基于記憶截割的監(jiān)控系統(tǒng)初始化→記憶截割模式與否→人工截割示范→采集機身與控制參數(shù)→數(shù)據(jù)處理→路徑展開→路徑記憶。自適應(yīng)記憶截割：數(shù)據(jù)記憶→路徑跟蹤→截割狀態(tài)異常與否→自適應(yīng)調(diào)控→數(shù)據(jù)異常與否→路徑變化過大與否→控制輸出。如數(shù)據(jù)異常而會觸發(fā)故障報警，實現(xiàn)監(jiān)控報警功能，下一步人工設(shè)置參數(shù)進行人工修正處理。

5 實踐應(yīng)用效果分析

采煤機自動監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計完成后，經(jīng)亭南煤業(yè)2408 智能化綜采工作面實際運行測試，該自動監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)對采煤機截煤作業(yè)運行期間機身各部分參數(shù)進行實時監(jiān)測。自動監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果及現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)情況見表1。

表1 2408 智能化工作面自動監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果及現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)情況

從表1 數(shù)據(jù)可知，亭南煤業(yè)2408 智能化綜采工作面采煤機在記憶截割作業(yè)過程中，設(shè)計并應(yīng)用的采煤機自動監(jiān)控系統(tǒng)能實現(xiàn)對采煤機自身工作參數(shù)及自動記憶截割數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，實現(xiàn)了采煤機自動記憶割煤作業(yè)的智能化。經(jīng)對比，通過監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測得到的采煤機運行數(shù)據(jù)與采煤機現(xiàn)場實際運行數(shù)據(jù)一致，設(shè)計方案合理可行，可應(yīng)用于采煤機記憶截割作業(yè)。

6 總結(jié)

針對亭南煤業(yè)智能化采煤工作面原采煤機進行自動記憶截割作業(yè)時存在需要人工干預(yù)、數(shù)據(jù)采集不準確、無法實現(xiàn)實時監(jiān)控等問題，在采煤機記憶截割的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于SIEMENS S7-300 PLC 控制器為核心的用于采煤機自動記憶割煤的自動監(jiān)控系統(tǒng)。該自動監(jiān)控系統(tǒng)在亭南煤業(yè)2408 工作面進行實際運行測試，對采煤機運行期間機身各部分參數(shù)進行實時監(jiān)測和調(diào)控。主要表現(xiàn)為以下優(yōu)點：1）降低了采煤機故障發(fā)生率，提高了采煤機的工作效率；2）提高了采煤機記憶截割精準度，記憶截割的智能化程度大幅度提高，能實現(xiàn)綜采工作面的無人化開采。