智能化工作面控制系統的設計

潘瑞峰

(霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司 木瓜煤礦，山西 方山 033100)

隨著工業化水平的不斷發展，煤礦開采的機械化、自動化程度也越來越高，實現煤礦開采設備自動化控制，是綜采工作面智能化建設的重要環節。工作面智能化控制主要是實現對井下設備的全面監控，以此達到開采的自動化，對提高煤礦的開采效率及作業安全起到關鍵保障作用。本文在重點分析木瓜煤礦工作面工況特點的基礎上，對控制系統進行了設計，對提高工作面智能化程度、降低企業勞動成本起到了重要作用。

1 控制系統方案設計

以木瓜煤礦S10-102工作面為對象，對智能化控制系統進行了設計。智能化工作面控制系統主要包括支架電控及姿態監測分系統、光纖慣導定位分系統、視頻監控分系統、巷道集控中心、地面監控系統、工作面人員定位感知分系統等[1-3]。在實際運行過程中，可通過液壓支架自動跟機、采煤機記憶割煤技術，結合設備姿態反饋、工作面視頻監控，實現在巷道集控中心對自動化設備的遠程控制(干預)，最大程度減少工人操作，降低勞動強度；同時，實現在監控中心對工作面設備的監測及集中控制功能[4-5]。整個控制系統的總體框架如圖1所示。

2 控制系統中關鍵分系統設計

2.1 設備的自動化集中控制功能設計

在工作面中，由于包含了刮板輸送機、轉載機、破碎機、采煤機等設備，而各類設備雖各自具有一套獨立的控制系統，但設備之間未形成一個閉環的統一控制系統，實現對各類設備的自動化集中控制，因此，進行了集中控制功能設計。首先，根據設備的工作特性，確定了各設備的開機順序為：破碎機—轉載機—刮板輸送機—采煤機(存在聯鎖關系)，而各設備的停機順序則為：采煤機—刮板輸送機—轉載機—破碎機，對各設備之間通過RS485通訊總線方式進行連接。同時，在整個閉環線路中，增添了控制按鈕、組合開關、顯示屏等部件，所采集的設備運行信號參數通過相關部件的傳輸處理后，在巷道主機部件中進行信號的匯總、分析、判斷，之后將信號傳輸至顯示屏中進行信息顯示。整個自動化集中控制系統框架如圖2所示。

圖1 工作面控制系統總體框架

圖2 自動化集中控制系統框架

2.2 視頻監控功能設計

視頻系統作為綜采自動化系統的輔助系統，提供對工作面開采現場、關鍵設備運行狀況的視頻輔助監測功能。該視頻監控系統主要包括工作面、巷道、集控中心及地面實時監控，如圖3所示。

圖3 監控功能結構框架

其中，工作面和巷道的監控系統主要包括礦用本安型云臺攝像儀、礦用隔爆兼本安型直流穩壓電源、礦用本安型交換機、通信電纜等部件；而集控中心則在包含以上部件的基礎上，增加了圖形處理和云臺攝像儀跟隨軟件；另外，地面監控系統主要由地面視頻存儲管理服務器、4T硬盤、地面視頻調度軟件等組成。

2.3 控制系統自動跟機功能設計

隨著工作面回采，采煤機將不斷向前進行移動，而工作面中其他設備，如液壓支架、刮板輸送機等均需根據采煤機的移動而向前移動。由此，設計了一套自動跟機系統，在該系統中，設置了位移傳感器、紅外線接收器、微控中心、RS484通訊總線等，位移傳感器會在采煤機運動方向上采集設備的推溜距離，推溜距離將以數字形式體現，位移傳感器所檢測的信號參數傳輸至紅外線接收器中進行信號轉換，最終通過微控中心進行分析處理，由此實現對采煤機工作位置的實時判斷，后續設備則根據事先編制的程序，實現與采煤機相對距離的自動跟進，控制系統自動跟機分系統框架示意如圖4所示。

圖4 工作面控制系統總體框架

2.4 設備集中故障報警功能設計

各設備在運行過程中，雖已對設備的整體運行狀態進行了系統監測及控制，但當設備運行過程中出現故障，需通過控制系統對不同設備的故障信息進行統一匯總報警，以此實現對各設備故障的統一故障巡查及維護保養，提高整套系統的運行效率及安全性。由此，所設計的集中故障報警系統主要包括對液壓支架、采煤機、膠帶、開關、泵站、輸送機等設備的運行狀態、故障信息進行分析及判斷，且具備對工作面語音系統狀態顯示，包括電話閉鎖狀態顯示、急停狀態顯示和斷路位置顯示等。其中，對液壓支架故障報警包括程序丟失、參數錯誤、輸入錯誤、輸出錯誤、通訊錯誤、人機交互錯誤和安全操作裝置故障等；對輸送機故障報警包括設備的每臺減速器及電動機的溫度、壓力、流量、位移、轉速等信息。同時對輸送機、轉載機、破碎機和相關泵站實現集中順序啟停控制和工作面沿線的語音預警和對講功能。設備集中報警顯示界面如圖5所示。

3 控制系統的現場應用分析

為驗證該控制系統的各項性能是否滿足當前井下工作面使用需求，將該控制系統進行了現場測試，在將近5個月的測試中，系統運行穩定，能實現對井下相關設備的集中控制、視頻監控及故障報警控制，能清晰觀察到工作面中采煤機、液壓支架、人員的工作狀態。現場測試表明，設備的故障率降低了將近30%，故障檢修效率提高了45%，停機累積時間縮短了近200 h，有效保證了井下的正常作業及安全，間接給企業帶來了近50萬的經濟效益。

圖5 設備集中報警顯示界面

4 結 語

自動化、智能化工作面的建設是煤礦企業的發展方向，本文結合木瓜礦工作面的實際工況特點，開展了智能化工作面控制系統的設計及現場應用測試。實踐表明：該系統具有較高的穩定性和控制性能，大大降低了設備的故障發生率及停機檢修時間，給企業帶來了較大的經濟效益。