煤礦綜采設(shè)備綜合控制關(guān)鍵技術(shù)研究

賀 杰

（晉能控股集團挖金灣煤業(yè)公司，山西 大同 037003）

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，能源結(jié)構(gòu)在不斷的發(fā)生著改變，但是煤炭作為主要能源，在能源結(jié)構(gòu)中始終占據(jù)著非常重要的地位。我國在煤炭的開采方式上從原先的人力開采逐步發(fā)展到現(xiàn)在的機械化開采，煤炭的開采速度已經(jīng)得到了明顯的提升[1]。機械化采煤雖然提高了煤炭開采的速度，但是其仍不能夠滿足現(xiàn)代市場的需求，面臨綜采設(shè)備自動化程度低等重要問題，嚴(yán)重制約著煤炭開采效率的提升，同時也增加了不少的安全隱患。現(xiàn)階段大部分煤礦企業(yè)的綜采工作面綜采設(shè)備都具備有相應(yīng)的在線監(jiān)測以及實時狀態(tài)控制等功能，但是綜采設(shè)備之間沒有實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換以及統(tǒng)一聯(lián)動，增加了安全隱患[2]。本文通過對綜采設(shè)備之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的長期研究，設(shè)計了一套能夠?qū)崿F(xiàn)綜采設(shè)備實時狀態(tài)監(jiān)測和綜合控制的系統(tǒng)，實現(xiàn)了井下綜采設(shè)備之間的聯(lián)動，提高了綜采設(shè)備之間的協(xié)同能力，有助于提高煤炭開采的效率[3]。

1 綜采設(shè)備綜合控制的整體方案設(shè)計

綜采工作面的綜合控制系統(tǒng)是將信號采集技術(shù)、通訊技術(shù)以及智能控制技術(shù)融合于一體的，首先對綜采設(shè)備的運行狀態(tài)參數(shù)進行采集，將物理信號轉(zhuǎn)換成為電流電壓信號通過數(shù)據(jù)傳遞技術(shù)將其傳遞到工控機，工控機在收到相應(yīng)的數(shù)據(jù)信號后對數(shù)據(jù)進行分析，最后下發(fā)相應(yīng)的指令實現(xiàn)對整個綜采設(shè)備的整體控制。本文是以實際綜采工作面綜采設(shè)備作為基礎(chǔ)進行設(shè)計的，為了實現(xiàn)將所有綜采設(shè)備能夠綜合控制的目的，需要對其構(gòu)建協(xié)同而又獨立運行的各個控制平臺。通過各綜采設(shè)備對自身的運行狀態(tài)信號進行獲取，獲取完成后將數(shù)據(jù)進行上傳并分析，在總控器處對所有綜采工作面的設(shè)備進行協(xié)同控制。綜采工作面的綜合控制系統(tǒng)采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計，分別為設(shè)備層、機載控制層以及計算機控制系統(tǒng)，控制器之間的通訊協(xié)議采用的TCP/IP協(xié)議進行通訊，利用交換機實現(xiàn)對各個機載控制器的網(wǎng)絡(luò)分配，綜采設(shè)備綜合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 綜采設(shè)備綜合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

綜采設(shè)備層是指對采煤機、刮板輸送機以及液壓支架等。機載控制層是指各個設(shè)備的電控系統(tǒng)、信號采集裝置和運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，并且能夠?qū)?shù)據(jù)信息發(fā)送到機載控制層。計算機控制層是將所有的裝置的設(shè)備運行參數(shù)進行綜合控制，實時顯示，同時還要滿足對數(shù)據(jù)的處理、分析，保證綜采設(shè)備能夠按照采煤工藝進行實際的操作。

2 綜采設(shè)備綜合控制策略

2.1 綜采設(shè)備一鍵啟停及閉鎖保護

由于現(xiàn)綜采工作面的綜采設(shè)備大都是采用的分散控制，有專人對其設(shè)備進行負責(zé)，并且各個操作人員要按照“逆煤流啟動、順煤流停止”通過相互喊話來進行配合，這就增加了誤操作的可能性。首先是按照順序啟動的方式進行啟動，為了防止采煤機出現(xiàn)堆煤的情況需要逆著煤流的方向進行啟動，在啟動前需要進行報警預(yù)警需要設(shè)定相應(yīng)的時間進行預(yù)警。本系統(tǒng)設(shè)置的時間為15s。其次是停機過程，停機的過程中要順著煤流進行停機。綜采設(shè)備一鍵啟停的控制流程圖如圖2所示。閉鎖保護是當(dāng)綜采工作面的綜采設(shè)備發(fā)生故障時對其他設(shè)備的保護，防止其出現(xiàn)故障擴散引起更大范圍的故障情況。當(dāng)綜采設(shè)備出現(xiàn)故障時，一般情況下是按照順序進行停機。當(dāng)出現(xiàn)故障時按照“故障設(shè)備順煤流方向全部停機，逆煤流方向設(shè)備全部急停”，達到對未故障設(shè)備的保護作用。

圖2 綜采設(shè)備一鍵啟停的控制流程圖

2.2 液壓支架和采煤機協(xié)同控制

液壓支架作為綜采設(shè)備中的重要的支護裝備，為采煤機和刮板輸送機提供支護保護。一般工作情況下綜采工作面的液壓支架是需要工作人員依照個人經(jīng)驗來進行移動液壓支架位置的，在采煤機進行截割煤壁時，同向測得液壓支架要進行收回護幫的動作，采煤機行走反向側(cè)的液壓支架要進行移駕、推溜等動作。整個作業(yè)過程中需要多名工作人員之間相互配合才能夠完成。當(dāng)出現(xiàn)配合不恰當(dāng)時就會增加出現(xiàn)安全事故的可能性，因此對液壓支架和采煤機進行協(xié)同控制減少了人為操作帶來的危險性，同時提高了工作效率。液壓支架與采煤機的協(xié)同控制時通過利用紅外發(fā)射裝置和紅外接收裝置實現(xiàn)信號連接的。液壓支架的紅外接收裝置接收采煤機發(fā)射出的紅外發(fā)射信號，并將其傳遞到綜采設(shè)備綜合控制系統(tǒng)進行分析。綜合控制系統(tǒng)分析其紅外信號所對應(yīng)的液壓支架，結(jié)合實際采煤現(xiàn)場情況，對對應(yīng)的液壓支架發(fā)出調(diào)整的動作控制指令，實現(xiàn)液壓支架和采煤機之間的相互配合工作。

3 系統(tǒng)試驗

為了保證綜采設(shè)備綜合控制系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定的運行，對其進行試驗測試。液壓支架電液控制系統(tǒng)支持工業(yè)以太網(wǎng)通訊，采煤機、刮板輸送機、液壓支架其系統(tǒng)由西門子PLC進行開發(fā)的同樣也支持工業(yè)以太網(wǎng)通訊，因此本此測試?yán)霉I(yè)以太網(wǎng)對綜采工作面綜合控制系統(tǒng)進行測試。系統(tǒng)測試平臺有：工控機一臺；采煤機、刮板輸送機、液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)一套；液壓支架電液控制系統(tǒng)一套；以太網(wǎng)交換機一臺以及其他附屬工具。主要是對系統(tǒng)進行監(jiān)測性能、手動控制以及自動控制性能。監(jiān)測性能測試是利用信號發(fā)生器模擬液壓支架的前立柱壓力，向其發(fā)送模擬信號，對液壓支架和綜采工作面綜合控制系統(tǒng)進行監(jiān)測。經(jīng)過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)液壓支架前立柱壓力為50MPa，在液壓支架電液控制和綜采工作面綜合控制系統(tǒng)都同時顯示，數(shù)據(jù)也相同說明檢測功能可行。手動控制性能的測試是通過電動控制對綜采設(shè)備進行控制的，通過對綜采設(shè)備的采煤機、刮板輸送機以及液壓支架的三機監(jiān)測，在選定控制方式后對其進行點動控制，采煤機、刮板輸送機以及液壓支架等的按鈕都變綠，說明手動控制性能良好。自動控制功能的測試通過在選定自動控制運行模式后，在綜合控制界面按下“一鍵啟動”后，觀察其啟動順序就能夠發(fā)現(xiàn)其是否正常。經(jīng)過觀察后發(fā)現(xiàn)其在啟動的過程中是按照逆向煤流的方向啟動的，因此說明綜采設(shè)備綜合控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)能夠正常運轉(zhuǎn)。在測試的過程中通過人為的制造故障，通過系統(tǒng)的預(yù)警情況來判斷系統(tǒng)是否能夠?qū)收线M行有效處理。在出現(xiàn)故障情況后，綜采設(shè)備綜合控制系統(tǒng)能夠按照故障點順煤流方向的順序進行停止作業(yè)，逆煤流方式進行全部急停的操作，在實際相應(yīng)的過程中停機和急停速度響應(yīng)迅速，進一步地提升了綜采設(shè)備綜合控制系統(tǒng)的安全性和可靠性。

4 總結(jié)

煤炭的開采對國民經(jīng)濟的發(fā)展至關(guān)重要，機械化開采已經(jīng)成為了現(xiàn)階段煤炭開采的主要方式。采煤機、刮板輸送機、液壓支架等作為綜采工作面的主要設(shè)備，結(jié)合在實際煤炭生產(chǎn)過程中的需求，設(shè)計了一套以工控機為基礎(chǔ)的煤礦井下綜采設(shè)備綜合控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠有效地對綜采設(shè)備的實時狀態(tài)進行監(jiān)控、自動控制以及故障報警等功能。綜采設(shè)備控制系統(tǒng)能夠結(jié)合煤炭開采工藝對綜采設(shè)備進行閉鎖保護，保證了設(shè)備的安全運行和出現(xiàn)故障后對其他設(shè)備進行綜合保護，有助于提高綜采設(shè)備的開機率，提高煤炭的開采效率。