智慧綜采工作面回采設(shè)備控制系統(tǒng)研究

摘要：介紹了智慧綜采工作面回采設(shè)備控制系統(tǒng)的功能，闡述了該控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及配置情況，分析了三機(jī)控制流程、供液系統(tǒng)控制流程及采煤機(jī)割煤控制流程，為其他礦井的智慧綜采工作面建設(shè)提供了參考。

關(guān)鍵詞：智慧綜采工作面;回采設(shè)備;控制系統(tǒng);采煤機(jī)

0 引言

傳統(tǒng)的綜采設(shè)備控制主要采用人工手動(dòng)控制方式，存在效率低、作業(yè)人員多等問題，為此眾多煤炭企業(yè)開始應(yīng)用智慧綜采工作面。智慧綜采工作面不僅可以提升煤炭開采效率，而且可以降低作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，減少人員數(shù)量，保障煤炭的安全開采。然而，智慧綜采工作面在應(yīng)用過程中仍存在諸多問題，本文主要針對綜采設(shè)備的智能化控制進(jìn)行研究。

1 控制系統(tǒng)功能

智慧綜采工作面回采設(shè)備控制系統(tǒng)包括集中控制中心、各子控制設(shè)備，主要功能是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)記憶割煤、液壓支架跟機(jī)運(yùn)行以及對運(yùn)輸設(shè)備和乳化液泵站等的集中監(jiān)控。

1.1? ? 井下集中控制

在回采巷道內(nèi)布置的集中控制中心（以下簡稱集控中心）是智慧綜采工作面回采設(shè)備控制系統(tǒng)的核心，由集控操作臺、數(shù)據(jù)處理主機(jī)、日志主機(jī)及視頻主機(jī)等構(gòu)成，其中數(shù)據(jù)處理主機(jī)用于采集、處理供電系統(tǒng)、乳化液泵站、采煤機(jī)、支架等的運(yùn)行數(shù)據(jù)。集控中心對回采設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測。

1.2? ? 采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制

采煤機(jī)控制子系統(tǒng)包括無線Wi-Fi通信系統(tǒng)、采煤機(jī)、慣導(dǎo)系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等，幫助實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)記憶割煤，采煤機(jī)運(yùn)移位置根據(jù)布置在液壓支架上的紅外傳感器、D型齒輪傳感器進(jìn)行定位、校正，通過慣導(dǎo)系統(tǒng)監(jiān)測采煤機(jī)行走路徑。

1.3? ? 電液控制

電液控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對液壓自動(dòng)降架、移架以及升級控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)成組推移刮板輸送機(jī)、伸縮護(hù)幫板、自動(dòng)噴霧降塵等，并監(jiān)控支架立柱壓力、千斤頂行程、采煤機(jī)行走路徑、方向等，并在電液控制系統(tǒng)控制主機(jī)上顯示相關(guān)參數(shù)，控制結(jié)果同步傳輸至地面監(jiān)控中心。

1.4? ? 電力控制

電力控制系統(tǒng)由三機(jī)（轉(zhuǎn)載機(jī)、刮板輸送機(jī)、破碎機(jī)）及帶式輸送機(jī)供電控制系統(tǒng)、組合開關(guān)以及控制器等構(gòu)成，可對1 140 V、3 300 V供電回路進(jìn)行遠(yuǎn)程分合閘，具備故障報(bào)警及狀態(tài)監(jiān)測等功能，并對供電回路中的電流、電壓、功率以及故障保護(hù)系統(tǒng)中的短路、斷相、漏電等情況進(jìn)行監(jiān)測。

1.5? ? 視頻監(jiān)控

遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)由回采巷道、采面內(nèi)的視頻監(jiān)測設(shè)備構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)、破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)以及巷道進(jìn)行監(jiān)測。在組合開關(guān)、乳化液泵站等位置均布置有攝像機(jī)進(jìn)行固定監(jiān)視，在液壓支架上布置的攝像機(jī)采用跟機(jī)自動(dòng)切換模式，通過采集采煤機(jī)位置信息，自動(dòng)打開對應(yīng)的支架攝像機(jī)，使遠(yuǎn)程操控司機(jī)能掌握采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

1.6? ? 供液控制

綜采工作面供液系統(tǒng)由地面/井下乳化液供液系統(tǒng)、過濾站、乳化液箱以及相應(yīng)的流量/溫度/壓力傳感器等構(gòu)成。高壓沖洗過濾站、回液過濾站對乳化液進(jìn)行清潔、過濾，同時(shí)高壓沖洗過濾站可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，當(dāng)乳化液壓力不足或者濾芯嚴(yán)重堵塞時(shí)，乳化液泵站自動(dòng)停泵報(bào)警，供液系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對乳化液溫度、流量以及乳化液箱液位等的實(shí)時(shí)監(jiān)測，從而確保整個(gè)供液系統(tǒng)能平穩(wěn)運(yùn)行。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及配置

智慧綜采工作面回采設(shè)備控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

2.1? ? 集控系統(tǒng)

集控中心包含有6個(gè)客戶終端，其中有3個(gè)視頻終端、3個(gè)數(shù)據(jù)終端。視頻終端用于對采煤機(jī)及周邊、轉(zhuǎn)載點(diǎn)及液壓支架的視頻監(jiān)控;數(shù)據(jù)終端用于對支架、采煤機(jī)等數(shù)據(jù)的監(jiān)測。

2.2? ? 采煤機(jī)控制子系統(tǒng)

采煤機(jī)控制子系統(tǒng)主要設(shè)備包括繼電器、S7-300 PLC控制器、供電電源及控制按鈕等。I/O控制用于采煤機(jī)截割電機(jī)、液壓電機(jī)、牽引電機(jī)的啟停等控制;保護(hù)監(jiān)測主要是對供電系統(tǒng)電壓、截割電機(jī)電流、牽引泵電流、變頻器電流、電壓等的監(jiān)測;控制監(jiān)測主要是對采煤機(jī)位置、割煤高度、搖臂傾角、變頻器轉(zhuǎn)距等的監(jiān)測。采用慣導(dǎo)系統(tǒng)監(jiān)測采煤機(jī)移動(dòng)位置。采面每隔8～10架液壓支架安裝1臺Wi-Fi通信模塊，模塊間采用有線連接方式，從而解決無線Wi-Fi的切換、覆蓋問題，最后采用無線網(wǎng)絡(luò)將采煤機(jī)、液壓支架等的數(shù)據(jù)傳輸至巷道集控中心內(nèi)。

2.3? ? 電液控制系統(tǒng)

電液控制系統(tǒng)核心為ZDYZ-ZA控制器，通過連接電磁閥控制液壓支架各液壓油缸的伸縮量;電液控制系統(tǒng)與各監(jiān)測傳感器（壓力、位移以及紅外接收器等）相連，掌握液壓支架各個(gè)部位姿態(tài)信息。壓力傳感器采集立柱支承壓力，在支架升、降，補(bǔ)充乳化液時(shí)提供壓力監(jiān)測信號;位移傳感器監(jiān)測支架推移量;紅外傳感器實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)的精準(zhǔn)定位。

2.4? ? 電力控制系統(tǒng)

電力控制系統(tǒng)控制器為S7-1200 PLC，采用CM1241通信模塊與1 140 V、3 300 V組合開關(guān)通信，從而控制采面三機(jī)（轉(zhuǎn)載機(jī)、刮板輸送機(jī)、破碎機(jī)），實(shí)現(xiàn)對運(yùn)輸巷內(nèi)等位置帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測及遠(yuǎn)程控制。

2.5? ? 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

每隔1臺支架安裝1個(gè)正對煤壁的攝像機(jī)，每隔6臺支架安裝1個(gè)豎向攝像機(jī)，從而對采面內(nèi)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行全方位監(jiān)控。集控中心可顯示3個(gè)視頻畫面，具體為帶式輸送機(jī)運(yùn)行畫面、采面橫向視頻畫面以及采煤機(jī)位置視頻畫面。采面、回采巷道視頻監(jiān)測信息通過工業(yè)以太網(wǎng)與綜合接入器連接進(jìn)行傳輸。

2.6? ? 供液控制系統(tǒng)

供液控制系統(tǒng)控制器為S7-1200 PLC，用CM1241模塊接入綜合接入器，通過RS485與核心交換機(jī)連接。各類傳感器監(jiān)測乳化液箱液位、供液系統(tǒng)壓力及流量，監(jiān)測結(jié)果通過輸入隔離模塊處理后傳輸至S7-1200 PLC控制器，控制器指令通過繼電器輸出模塊控制各類閥組的啟閉。供液系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

3 控制程序

3.1? ? 三機(jī)控制流程

控制系統(tǒng)采用的三機(jī)控制程序流程如圖3所示，該程序可以對三機(jī)負(fù)載按照預(yù)定邏輯進(jìn)行啟停控制，實(shí)現(xiàn)故障信息采集及預(yù)警等。設(shè)備的邏輯控制是整個(gè)三機(jī)控制程序的主要內(nèi)容，具體可細(xì)分為設(shè)備集中控制、單獨(dú)控制以及點(diǎn)動(dòng)控制3種類型，集中控制即通過集控中心啟、停按鈕實(shí)現(xiàn)對三機(jī)的集中啟動(dòng)、停止;單獨(dú)控制即單臺設(shè)備獨(dú)立控制，每臺設(shè)備有一個(gè)對應(yīng)的啟、停按鈕;點(diǎn)動(dòng)控制即按鈕按下時(shí)設(shè)備運(yùn)行，按鈕放開時(shí)設(shè)備停機(jī)，一般用于設(shè)備檢修，啟動(dòng)、停機(jī)時(shí)間間隔短。

3.2? ? 供液系統(tǒng)控制流程

供液系統(tǒng)中采用單泵控制方式控制乳化液泵運(yùn)行，即對乳化液泵進(jìn)行一鍵啟停控制。系統(tǒng)初始運(yùn)行時(shí)，先檢測乳化液箱內(nèi)液位、濃度、壓力，檢測值在符合系統(tǒng)啟動(dòng)要求時(shí)，即可在集控中心的客戶端上開啟循環(huán)泵。

3.3? ? 采煤機(jī)割煤控制流程

遠(yuǎn)程控制的采煤機(jī)割煤控制流程如圖4所示，整個(gè)控制過程分為人工學(xué)習(xí)、自動(dòng)割煤以及遠(yuǎn)程干預(yù)等環(huán)節(jié)。

采煤機(jī)自動(dòng)割煤過程中，采用攝像頭監(jiān)測采煤機(jī)割煤高度、煤層變化情況，根據(jù)現(xiàn)場情況干預(yù)采煤機(jī)割煤。若需要改變采煤機(jī)跟蹤曲線，則在集控中心進(jìn)行遠(yuǎn)程干預(yù)，采煤機(jī)按照重新覆蓋的跟蹤曲線運(yùn)行。

4 結(jié)語

智慧綜采工作面回采設(shè)備控制系統(tǒng)綜合了傳感器、計(jì)算機(jī)、故障診斷以及自動(dòng)控制等技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對回采設(shè)備的智能化控制。礦井1208綜采工作面采用智慧綜采工作面回采設(shè)備控制系統(tǒng)后，作業(yè)人員在回采巷道的安全位置即可實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)等回采設(shè)備的遠(yuǎn)程、智能控制，實(shí)現(xiàn)了綜采工作面的遠(yuǎn)程、無人化開采，顯著減少了采面工作人員數(shù)量，提高了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

收稿日期：2020-07-14

作者簡介：丘慶林（1992—），男，福建武平人，助理工程師，技術(shù)員，從事智慧礦山建設(shè)工作。