綜采工作面信息化集控系統在平朔礦區的應用

孫 健

（中煤平朔集團 設備管理租賃中心，山西 朔州 036006）

煤礦綜采工作面是煤礦生產的最前沿，也是最復雜的采煤終端環節。機械化采煤是規模化生產的基礎，信息智能化采煤則是大型機械化生產的核心。由于設備數量多，設備之間相互依賴，相互制約形成串聯運行的生產系統，開機率已成為煤礦規模化生產的唯一指標。煤礦綜合機械化采煤的自動化程度對信息化技術的依賴性逐步提升，工業化與信息化的融合已成為煤礦機械化采煤發展的必然趨勢[1]。

1 信息系統總體構架

綜采設備單臺的自動化運行依托現場總線即可完成，但多臺設備協同運行實現遠程智能控制對通信的實時性、數據吞吐量、通信速率、可靠性等要求很高，單靠現場總線控制已無法滿足綜采多臺設備智能聯動的通信要求，高速以太網絡接入現場總線控制才能解決煤礦信息化數據傳輸的瓶頸問題[2]。

1.1 系統網絡結構

綜采工作面信息化集成控制系統通過設備層、控制層和信息層3 層網絡架實現自動化控制的基礎構架。網絡結構示意圖如圖1。

圖1 網絡結構示意圖

1）信息層。以傳輸數據為主要功能，利用Web信息數據把綜采工作面設備運行狀態的監測數據及歷史數據發布到單位局域網內，通過各個終端設備及時了解現場設備的運行狀態等相關信息，便于對生產現場進行分析判斷并進行下一步的生產管理。

2）控制層。控制層主要功能為通過采集并顯示現場設備的運行信息，并對設備進行相應的控制。控制層由兩臺互為備用的礦用計算機組成，與現場生產設備的通訊連接采用Modbus 通訊協議，與其他自動化系統通過TCP/IP 協議相連。通過控制層設備的計算機可以根據現場設備的位置信息、運行參數等對設備進行部分啟停控制。

3）設備層。現場生產設備以現場總線控制系統為主，設備的智能控制以現場總線為基礎，各設備與主計算機之間通過Modbus 通訊協議連接，形成以通訊數據監測為主要功能，實現部分設備遠程啟停為輔助功能的現場總線監控系統。

1.2 基本流程

集成控制系統監測主站中的Modbus Slave 站通過軟件模擬實現，通過Modbus 通訊協議按照不同的Slave 站的級別輪巡檢測各子系統的Modbus Slave站及時更新的數據緩沖區，并通過組態圖形表示采集到的各個設備的運行數據。

2 綜采工作面信息化集成控制系統升級改造

綜采工作面信息化集成控制系統改造是在綜合機械化采煤工藝的基礎需求上實現減人增效的安全生產。通過機械化采煤工藝，利用自動化、傳感、通訊，圖像處理等一些列技術實現信息化和工業化的融合提升的傳感網，實現對綜采設備的監控、判斷分析及一定程度的電氣和通訊控制功能，在綜采工作面機械化設備的基礎上實現減人增效[3-7]。綜采工作面電氣負荷系統如圖2。

圖2 綜采工作面電氣負荷系統圖

2.1 采煤機控制系統升級完善

采煤機通過冗余動力線調制解調器和光纜進行數據傳輸。采煤機拖曳電纜和動力線耦合器連接。耦合器濾出高壓信號，收集采煤機的高壓頻譜信號，帶有采煤機信息的信號傳輸到增益可調的電氣隔離模塊。通過隔離模塊把信號傳輸到動力線調制調節器，然后解調擴展頻譜信號并將其轉換為電流環串行數據流信號。電流環信號轉換成RS232 后傳送到多模光纖轉換器，在進行遠距離傳輸后再轉換為電流環信號進入采煤機遠程控制器。采煤機遠程控制器和控制臺的數據傳輸采用TCP/IP 協議進行數據通訊。

現有的艾柯夫SL750 采煤機只能實現就地跟機遙控，為滿足集控系統要求，需要改造現有采煤機，增加實現從進風巷監控采煤機自動運行所需的整套改造件、4 個攝像頭和1 個遠程控制臺。通過軸編碼器和液壓支架紅外接受器實現采煤機位置定位。

2.2 支架電液控系統完善

現有的支架全部配備電液控制器，需要將現有的控制器進行維修完善，確保電液控主機、支架電液控制器、立柱壓力傳感器、推移行程傳感器及采煤機定位紅外對射器完好。采煤機在運行割煤的過程中即能實現支架和采煤機最基本的跟機聯動功能，也能實現液壓支架的遠程操作和參數修改，同時還確保采煤機不與支架的護幫板、側護板等保護機構發生碰撞，實現采煤機與液壓支架的聯動和互動作業。

2.3 工作面三機保護系統完善

控制臺主機與工作面三機負荷設備通過Modbus 方式進行通信實現刮板運輸機、轉載機、破碎機的聯合運轉；同時通過實現動態監測三機設備的電動機和減速器的運行參數，根據運行參數實現報警保護和停機保護，在刮板運輸機和轉載機驅動方式上采用變頻驅動方式，既減少了傳統配置的組合開關數量，又能發揮變頻驅動的特點，減少三機的重載開機瞬間的較大沖擊力和運行期間因矸石卡堵造成的機械磨損。綜采操作控制臺通過RS485 通訊讀取變頻器的動態參數信息，實現瞬時觀測三機和采煤機的電流、電壓等運行參數，根據電流參數可以動態調整刮板運輸機的運輸速度，實現工作面三機根據電流參數可調整運輸機速度的完善保護。

2.4 視頻-供電-通信系統完善

在原綜采工作面視頻監控的基礎上，采煤機左右搖臂處增加1 套監控系統，對工作面和采煤機實行實時監控，通過采集的視頻圖像進行智能實時拼接，實現綜采工作面視頻全覆蓋。

主控制器與各類電氣負荷開關通過集中控制，實現電氣系統電壓、電流、絕緣阻值、溫度、運行時間等實時數據的動態監測。

綜采工作面各類生產及輔助設備的數據通過井下數據交換主機將數據傳輸至井下工業環網內，再通過礦井環網上傳到地面調度室內集中顯示，顯示畫面與井下集控中心一致，同時能夠根據現場條件啟動地面遠程控制功能，控制功能需在安全前提下進行。另能夠在地面對井下設備以及集成控制系統進行軟件升級和參數設置，通過地面系統向井下系統發布參數命令，井下順槽集控系統記錄后并存儲，之后的生產過程將使用新的軟件參數運行。

3 技術難題和發展方向及應用前景

3.1 技術難題

1）缺乏統一的通信平臺。煤礦高速以太環網已成熟并普及應用，設備運行的參數信息如何分析處理并做下一步的預判卻停留在宏觀層面，沒有針對的分析處理功能，而環網的帶寬大多被視頻信息等數據量大的數據占用，對設備的智能化運行并沒有指導作用。在通訊信息和現場總線數據之間還做不到無縫對接。各系統間的相互協調仍需提高[7-8]。綜采工作面信息化集成控制系統通過信息化的帶動實現了信息化和工業化的初步融合，“兩化融合”后的數據處理技術對綜采生產工藝的優化提升目前還處于探索階段。

2）綜采生產的過程控制還不能實現智能化生產，只能做到部分設備的簡單啟停功能。還不能實現綜采工作面自動找直、存在上竄下滑、運輸機與轉載機的搭接分離等需要解決的問題[9]。

3.2 技術發展方向

綜采工作面信息化與集成是綜采工作面實現機械化采煤的一個全面的總結，采煤的發展將向智能化走近，通信技術和現場總線控制技術的結合是采煤智能化的趨勢，采煤關鍵技術的突破、新技術的應用將為綜采工作面的智能化提供相應的解決方案。

1）綜采工作面設備之間應有統一標準的通信協議，研究動態適時跟蹤的綜合視頻平臺及相應的圖形處理技術，把生產運行狀態的動態設備運行狀況作為研究對象，對綜采工作面信息化集成系統采集的設備參數信息進行處理分析判斷，提供遠程動態控制的執行依據。

2）圍繞開采工藝流程及生產過程建立動態生產模型，通過生產過程動態數據管理和分析實現智能割煤過程的三維定位和動態實時監控，實現綜采工作面的直線度控制和水平控制。

3.3 應用前景

隨著煤機裝備的迅速發展，機械化采煤的信息化程度逐步提高，綜采工作面信息化集成與控制系統的推廣應用能夠改善采掘工作面惡劣環境，解決井下用工多，勞動強度大，工作效率低，能源浪費嚴重、資源回采率低，浪費大，以及安全隱患多等問題。綜采工作面信息化集控系統指通過主機設備進行顯示和控制通過實時傳輸設備運行狀態數據的綜采工作面生產設備和其他輔助設備的運行狀態。通過信息化及工業化的融合應用，實現由信息化帶動工業化并向綜采工作面智能化發展提供基礎參考。

5 結語

綜采工作面信息化集控系統是利用信息技術的網絡基礎及時準確地反饋問題，對信息化和工業化的深度融合奠定了底層信息基礎，為綜采工作面少人化開采提供了最基礎可靠的參考，綜采工作面智能化開采技術在實際應用中產物，是保障工作面安全開采的有效途徑。綜采工作面集控是世界前沿的新興技術，該技術具備的可靠性、先進性、穩定性、實用性逐步使綜采設備實現快速、準確的配合充分發揮智能設備的性能。