綜采工作面協同控制系統應用研究

樊斌

（華亭煤業集團公司 陳家溝煤礦，甘肅 華亭 744100）

0 引 言

煤礦綜采工作面回采任務主要由采煤機、運輸機、液壓支架完成。傳統回采操作工藝上，“三機”的操作均根據回采過程進行獨立跟進控制[1]，因此，回采過程中需“三機”操作人員相互配合，配合方式多為喊話、擴音通話、聲光信號等方式，在井下嘈雜的環境中，該類配合效率低下且存在一定安全隱患。隨著煤礦智能化工作面的不斷發展及在全國各大煤田推進，智能化工作面建設已成為當下大型煤礦的必經之路。基于此，針對“綜采三機”的智能化聯動，提出協調集成控制方案，通過優化通信網絡及控制流程，以提高“三機”的綜合效能，最終實現減員提效及安全生產的目的。

1 協調控制系統的總體設計

1.1 各設備協調控制的關聯及要求

在協調控制系統作用下，采煤機行走方向及位置，決定液壓支架的跟進動作及推溜順序，采煤機牽引截割速度與自身截割能力、支架移架及推溜速度、運輸機的運載能力相關，并主要以運輸機的運載能力為基準，其牽引截割速度計算見式（1）。

式中：Vc為采煤機牽引截割速度，m/s；Qm為運輸機的運載能力，t/h；Kg為運輸機不均衡狀態下的下降系數，通常為1.1；m 為工作面采高，m；S為采煤機截割深度，m；γ 為煤體容重，m3/t；C 為工作面回采率，通常取0.95。

在采煤機行進過程中，液壓支架通過檢測采煤機位置及行進方向，按照相應順序及跟進速度，執行支架的掩護、降架、移架及升架動作，其追機速度應大于采煤機的牽引速度，以保證生產連續性。同時，因采煤機的牽引截割速度與運輸機的運載能力正相關，需隨時監測運輸機的負載情況，確保電機載荷處于額定負載下運行。

1.2 協調控制系統的功能及總體設計方案

協調控制系統的主要功能：①利用系統程序控制設備的順序啟停，即工作面采煤機、液壓支架、運輸機及其配套設備均按系統設定的順序啟停，利用遠程操控系統實現所有設備的一鍵啟停；②“三機”設備的自適應控制，即系統通過監測運輸機的負載參數控制采煤機的牽引截割速度，根據采煤機的牽引速度及位置，控制液壓支架的自動跟機，通過“三機”的自適應控制，實現工作面安全、有序、高效生產；③遠程監測控制功能，即通過控制系統可遠程實時查看采煤機位置及電機功率、電流等信息，以及液壓支架的立柱壓力、移架動作，運輸機負載電流等信息，通過監視設備狀態以便于實施遠程調控。

協調控制系統可分為地面監控層、巷道控制層及終端設備層3 個層次，系統整體結構如圖1 所示。地面監控層主要通過地面監控機實施遠程監控，并負責設備數據整理及遠程操控指令的下達等。巷道控制層主要負責通過協調控制器對各設備參數的采集及計算分析，并向各設備發送操控指令，以實現對各設備的聯動控制。終端設備層即采煤機、液壓支架及運輸機的各類控制機與傳感器，主要負責設備工作參數的采集、傳輸，以及接收上位機指令后的動作控制。

圖1 協調控制系統整體結構Fig.1 Overall structure of coordinated control system

2 協調控制系統工作原理

2.1 采煤機協調控制

根據原有液壓支架編號確定采煤機的位置信息，將紅外發射器安裝在采煤機和各個液壓支架上，采煤機在截割過程中，液壓支架通過接收信號確定采煤機位置。結合工作面現場坡度、煤厚及頂板條件，采取不同的施工工藝。將各工藝進行編號，調整采煤機。當前工藝段施工完成后，采煤機停運確認下一工藝段內容，調整截割部位置后繼續施工。采煤機協調控制如圖2 所示，協調控制器及采煤機控制系統通過接收相關參數，完成左右牽引、停止等自適應控制。

圖2 采煤機協調控制Fig.2 Coordinated control of shearer

2.2 液壓支架協調控制

液壓支架獲得采煤機位置及工藝信號后，傳送至集中控制器進行整合，之后由控制器向支架發送命令，由支架完成動作命令。支架控制系統設備及功能見表1。

表1 支架控制系統設備及功能Table 1 Equipment and function of support control system

2.3 通信技術

協調控制系統由諸多設備組成，通信網絡復雜。通過采用井下及地面2 種通信形式，有效管控了“三機”設備。

（1） 井下通信。采用RS485 交叉、串口通信，協調控制器與前后部運輸機、支架及采煤機等系統通信，為各設備及其現場數據的整合、傳送、下達控制命令的通信。

（2） 地面通信。地面與井下通信通過TCP/IP工業以太網協議并網，利用網絡交換機進行信息傳遞，實現地面命令傳至協調控制器。

3 硬件設備及系統軟件流程

3.1 傳感器與控制器

紅外傳感器由發射裝置及接收裝置組成。將紅外傳感器安裝在采煤機上，用以確定采煤機位置。選用GUH5 紅外接收/發射器，采用DC12V 電壓，接收及發射有效長度為3.5 m。

運輸機電流傳感器選用GLD300 感應式傳感器，工作頻率為500 ～1 200 Hz，測量誤差≤0.3%FS[3-4]。

系統控制器選型型號為S7-300 可編程控制器，具體型號為CPU317-2PN/DP，采用PS307 模塊電源，具備解析運算功能，并有較好的擴展基礎，管控“三機”之間的智能化控制與網絡通信，執行上級動作命令，解析運算采集的數據。

3.2 系統主程序

對設備運行采用模塊化設計，基于組織塊OB1，編寫PLC 主程序[4-5]，系統主程序如圖3 所示。主程序開始，首先發出設備啟動命令，進入開啟、停止順序控制程序，確認牽引閉鎖后，控制系統通過接收相關參數，完成采煤機左右牽引、停止等自動控制、左右牽引等自適應控制及液壓支架跟機等動作。完成以上程序后，再次進入開啟、停止順序控制程序，主程序結束。

圖3 系統主程序示意Fig.3 The main program of the system

4 結 論

（1） 通過應用協調控制系統，優化通信網絡，采煤機完成自動控制及自適應控制，液壓支架完成自動跟進，實現遠程操控“三機”設備的順序啟停、自適應控制及遠程監測控制，“三機”設備達到協調聯動及智能化運行，實現工作面安全、有序、高效生產。

（2） 與傳統采煤“三機”操作工藝相比，每班減少操作人員3 名，每年節約勞務費約98 萬元；每年增加產量9 萬t，增加銷售收入4 950 萬元，實現了減員提效的目的。