綜采工作面“三機”故障診斷系統與信息化控制技術研究及其應用

馬 昆

(國家能源集團寧夏煤業棗泉煤礦，寧夏自治區銀川市，751411)

20世紀80年代，美國和澳大利亞等國家的煤礦開始采用計算機技術、大功率變頻牽引采煤機控制技術、液壓支架電液控制技術、刮板輸送機軟啟動和變頻技術，逐步實現了采煤工作面少人操作和自動化采煤。澳大利亞的基于陀螺儀導向定位的自動化采煤方法，其控制對象是“三機”為主的全工作面自動化控制，采用控制中心+控制器+工業現場總線的控制技術，自動化程度較高。我國以國家能源集團神東公司和寧夏煤業公司為代表的綜采工作面自動化技術研究取得了長足的進步，實現了采煤機重復記憶割煤、支架自動跟機拉架、遠程干預等，大大降低了工人的勞動強度，實現了較高程度的自動化生產。

就我國智能生產技術成熟度而言，目前智能生產技術成熟度初步評估為67%左右，其中綜采設備人工智能技術總體評估為70%，綜掘設備人工智能技術總體評估為42%。一方面表現為采煤機的煤巖識別、液壓支架的傾斜調節、巷道的掘進和支護、輔助運輸和工程方面的自動化和智能化水平不高；另一方面是復雜條件下礦井生產的采掘失調矛盾突出，快速掘進類智能化技術和設備發展緩慢。

當前，智能技術已相對成熟，完全可以實現“有人巡視，無人值守”，目前需要觀念上的突破和應用上的細化。棗泉煤礦煤層賦存地質條件復雜，在自動化開采上尚屬空白，面對棗泉煤礦存在的傾角大、地應力大、采后動壓大、防滅火壓力大、斷層多、地溫高以及施工條件復雜等特點，研究自動化控制技術的突破原則為單項研究，從易到難，從機械化到自動化再到智能化。

目前，棗泉煤礦同國內大多數煤礦一樣，工作面自動化控制對象是以“三機”、帶式輸送機、泵站等局部綜采設備單一集控為主，采用控制器+工業現場總線的控制技術多是在單個設備或功能自動控制基礎上增加了工作面所有設備的聯動過程，自動化控制程度較低。因此，研究綜采工作面的自動化控制技術體系以及機電設備故障診斷系統與自動化控制技術體系對提高礦井工作面生產效率和安全生產指標具有重要意義。

1 項目背景

棗泉煤礦220704綜采工作面位于棗泉煤礦工業廣場東北方向，隸屬于22采區，主采7#煤層，工作面走向長為2093～2135 m(平均為2114 m)，傾斜長為178～188 m(平均為183.7 m)。工作面正常涌水量約為80 m3/h，最大涌水量約為120 m3/h，瓦斯絕對涌出量約為2.60 m3/min。煤塵具有爆炸性，爆炸指數為34.66%，屬于一類容易自燃煤層，最短自燃發火期鑒定為35 d。此井田無地溫熱害現象，無沖積地壓。

煤炭企業為了提高煤炭資源的開采效率，加大了依靠綜采自動化技術進行煤礦開采的力度。國家能源集團寧夏煤業公司對煤礦安全高效開采非常重視并積極調研，旨在為煤礦開采研究一條最佳的技術途徑。采掘工作面是煤礦開采的關鍵環節，作業人員占所有井下作業人員的50%以上，然而發生在采掘工作面的煤礦重特大事故占70%左右，因此實現采掘工作面的智慧開采是目前煤礦開采面臨的重大課題。研究綜采工作面自動化控制技術、增強設備的故障診斷和信息化控制技術，從安全發展來看能夠有效減少井下人員，實現礦井的智能管理，有效規避風險并降低成本；從開發戰略來看，有利于提升煤炭的產量和資源利用率；從技術層面看，對棗泉礦區實現長周期安全高效生產具有重要意義。

2 綜采工作面自動化控制技術體系構建

以實現綜采工作面生產可視化、控制遠程網絡化、信息共享化、常態作業無人(少人)化、安全標準化、企業效益最大化為目標，以采煤機記憶截割、液壓支架跟機作業自動化及與圍巖耦合智能控制、綜采設備聯動控制機電設備運行工況智能監測控制以及可視化遠程監控為基礎，以生產系統自動化控制軟件為核心，建立綜采工作面“無人操作、有人巡視”的自動化無人開采生產模式。

綜采工作面自動化控制技術體系主要有綜采工作面裝備選型設計與配套方案優化、綜采工作面裝備自動化控制技術、綜采工作面“三機”故障診斷系統與信息化控制技術三大部分組成。前兩部分技術較為成熟。

綜采工作面“三機”故障診斷系統與信息化控制技術采用信息化控制技術，搭建綜采工作面遠程監控系統平臺，對綜采工作面關鍵設備及工況進行遠程監視、“三機”聯動控制、故障診斷、保護和聯鎖，完成割煤、推溜、移架、裝煤、拖纜和運輸等自動化生產流程，實現綜采工作面少人化、無人化開采，確保井下生產安全、高產、高效。

3 綜采工作面“三機”故障診斷技術

3.1 “三機”運行工況自動監測

在綜采工作面無線交換網絡平臺和已有煤礦井下有線工業以太網平臺的基礎上，通過“三機”集控主機，實現電牽引采煤機、電液支架主控制器、工作面輸送設備的集中控制。通過工作面視頻監控，實現對采煤工作面的無死角監控，通過設置在運輸巷的綜采自動化監控中心實現工作面三級系統的集中監測與控制，并通過工業以太網平臺在地面監控中心實現對工作面自動化系統的遠程監控。“三機”運行工況自動監測總體監控方案如圖1所示。

3.2 “三機”運行工況故障診斷

綜采工作面故障診斷具有幾個方面的特點：一是工作面的環境條件惡劣，如粉塵、溫度、濕度等，這將影響監測點感知元件的敏感性；二是工作面具有大量機電設備，電磁干擾比較嚴重，對采集的數據傳輸有一定影響；三是工作面綜采設備需要連續運行，并且隨著回采方向移動，要求診斷系統具有更高的靈活性和可靠性。

圖1 “三機”運行工況自動監測總體監控方案

根據無人值守工作面的技術要求，為了實現工況實時監測及故障診斷和各監測分站的數據交換功能，設計的“三機”運行工況實時監測及故障診斷流程如圖2所示。

圖2 “三機”運行工況實時監測及故障診斷流程

由圖2可以看出，該流程包括數據初始化、系統自診斷、讀取各監測分站的監測和診斷數據、預警判斷、報警判斷、修改報警值、人機界面控制、按鍵識別和向上位機傳送監測和診斷數據等。針對沖擊干擾和高斯白噪音干擾，基于小波包變換理論，以信號能量-相關性為評價指標，對噪聲信號和有用信號進行區分，實現噪聲信號和有用信號的分離。

(1)采煤機工況的信息診斷。機載傳感器采集工況信息，并實現采煤機工況信息向運輸巷控制器的遠程傳輸。采煤機機載控制器PLC與運輸巷集控中心的控制器PLC之間的通信采用異步通訊的方式，運輸巷集控中心的PLC為主站，采煤機機載控制系統的PLC為從站，保證綜采成套裝備智能控制系統的可靠性和實時性。運輸巷控制系統接收采煤機工況信息，并過濾、解析和判斷。

(2)液壓支架工況信息診斷。利用電液控制系統對液壓支架總體監控。支架運行狀態包括支架運行時的傳感器參數和傳感器狀態，并由支架電液控主機向運輸巷集控中心報送支架運行時的故障信息。支架運行狀態參數主要包括支架傳感器參數、支架動作參數、支架故障報警參數，對傳感器進行動作編碼，通過優先發送正在發生變化的傳感器值及時判斷故障信息。

(3)輸送裝備故障診斷系統。由運輸子系統對各設備故障數據進行采集、顯示和報警。聯鎖自動模式下運行時，運輸子系統中各設備必須嚴格按照逆煤流方向順序啟動，并且每臺設備啟動前均需首先自檢故障，并延時報警提示。

在運輸巷集控中心安裝隔爆兼本安型集中控制箱，通過該集中控制箱操作面板上的按鈕，可對輸送裝備各個設備進行遠程啟停操作，并能夠通過各個子設備上傳的傳感信息和運行狀態信息，智能判斷輸送裝備當前所處運行狀態。

4 綜采工作面信息化控制技術

4.1 遠程視頻監視與控制系統

(1)液壓支架視頻系統。該系統包括網絡攝像頭、視頻監視器和視頻操作臺。每4個支架安裝1臺網絡攝像頭，安裝在支架的頂梁上，照射方向與工作面平行。網絡攝像頭的視頻數據通過工業以太網網絡傳輸到視頻監視器顯示，運輸巷設置1臺視頻監視器，可以同時顯示4路攝像頭，并可跟隨采煤機運動顯示采煤機附近4個點的視頻。視頻系統通過通信獲取采煤機運行位置和方向，實現在視頻顯示器上跟隨采煤機自動切換視頻攝像儀畫面。

(2)采煤機視頻系統。該系統主要由網絡攝像頭、視頻監視器、視頻操作臺、安裝電纜及附件等組成。網絡攝像頭的視頻數據通過工業以太網網絡傳輸到監控中心采煤機視頻監視器顯示，監視器顯示1路采煤機滾筒前的攝像頭，用以識別煤巖。視頻系統通過通信獲取采煤機運行位置和方向，實現在視頻顯示器上跟隨采煤機自動切換視頻攝像儀畫面。

(3)監控中心。在監控中心分別設置液壓支架遠程控制臺和采煤機遠程控制臺各1臺。監控中心工作人員可以依據液壓支架視頻系統遠程控制支架各種動作。監控中心工作人員可以通過采煤機視頻系統遠程控制采煤機，調整滾筒及牽引等動作。

(4)控制中心。控制中心主要由操作臺、采煤機工控機和鍵盤、電液控主機和鍵盤、視頻監視主機、采煤機和運輸機操作按鈕及信號燈組成。控制中心對地面及井下重要生產崗位實時圖像監測，具有優先級分控功能，便于領導調度指揮，同時還具有分區控制功能，不同部門只對自身范圍內的工業電視進行控制，互不影響。

4.2 機電設備信息化與數據傳輸

(1)工業以太網傳輸。為了提高煤礦的自動化水平，建設基于工業以太網交換機的1000 M光纖冗余環網作為礦井的信息傳輸高速公路，為綜采工作面自動化的實施奠定基礎，生產調度中心在地面能夠對各自動化系統機電設備進行集中監控。

(2)無線網絡與4G傳輸技術。在工作面建立4G移動網絡傳輸系統，實現所有數據實時傳輸。在采煤機上安裝本安型無線交換機，整個綜采工作面布置若干臺本安型無線交換機。利用該無線傳輸網絡把采煤機的參數信息和控制指令傳輸到端頭無線交換機，實現采煤機機載控制器、運輸巷控制器以及地面遠程控制器的通信。

(3)綜采工作面數據傳輸。將綜采工作面采煤機、液壓支架、刮板輸送機、轉載機、破碎機、乳化液泵站、噴霧泵站、運輸巷帶式輸送機控制系統及供電系統等有機結合起來，實現在運輸巷主控計算機和地面調度指揮中心對綜采工作面設備的遠程監測以及各種數據的實時顯示，為地面和井下工作面現場的生產和管理人員提供實時的井下工作面生產及安全信息。

(4)通信設備。工作面語音通信系統主要由綜合接入器等組成，每8個支架安裝1臺綜合接入器，具備喊話、設備啟停預警、廣播和工作面沿線保護及閉鎖等功能。在井上安裝智能呼叫終端，通過廣播通信系統軟件實現統一的全數字化井下IP廣播通信，從而實現井上井下統一指揮、通知和求助。

5 結語

通過對棗泉煤礦220704綜采工作面進行自動化的應用，不僅提高了棗泉礦區的自動化水平，也為其他自動化工作面的建設也做出了示范，主要成果如下。

(1)通過在采煤機、液壓支架及帶式輸送機上安裝傳感器及攝像頭等實現了地面對“三機”運行工況的監測，同時對監測參數等進行系統分析判斷，實現了綜采工作面“三機”工況自動監測與故障診斷。

(2)研發并建立了綜采工作面遠程監控系統平臺，采用4G網絡傳輸與通信技術、工業以太網交換網平臺、無線網平臺與數據傳輸等技術，借助語音通信系統和網絡語音系統實現了工作面的遠程視頻監測與控制以及綜采工作面機電設備信息與數據的傳輸。

(3)實現了集視頻、語音、遠程集中控制為一體的綜采設備聯動控制和關聯閉鎖等功能，也實現了開采可視化、生產自動化、管理信息化、作業少人化。

(4)實現了綜采設備的聯動，自動移架速度低于8 s/架，工作面減員達到85%，工效提高了40%，網絡傳輸延時低于0.6 ms，工作面月產能達到50 萬t以上。

(5)創建了千萬噸礦區復雜巨系統的全流程管理信息協同平臺，創新開發并成功應用了一體化智慧礦山綜合智能監控管理系統。