綜采工作面智能化系統改進技術研究

李彥輝

(遼寧能源煤電產業股份有限公司，遼寧 沈陽 110014)

隨著我國煤炭工業裝備研發和制造水平的提升，形成了不少以支架電液控技術、采煤機自主定位與記憶截割技術為核心的智能綜采裝備體系。由于煤礦智能開采技術能夠有效減少工作面的作業人數、提高工作面生產效率、改善工人作業環境、降低工人勞動強度，已在全國各大礦業集團掀起了一股智能化改造的熱潮，現全國智能開采工作面已達300多個。然而，目前國內絕大部分智能開采工作面的地質條件相對簡單，現有智能綜采系統在復雜地質條件下的適用性研究尚未運用。沈陽焦煤股份有限公司林盛煤田系晚古生代石炭—二疊系煤田，屬于華北賦煤區。林盛煤礦經過40多a的開采，采場逐步向復雜條件轉移，礦井瓦斯含量高、地壓大、地質條件復雜，實施智能化開采缺乏現成的經驗借鑒，因此礦井聯合廠家進行技術攻關，為復雜地質條件下智能綜采系統在系統架構、關鍵技術等方面的持續改進提供了建議和思路。

1 工作面概況

林盛煤礦位于遼寧省沈陽市南部，行政區劃屬沈陽市蘇家屯區林盛堡管轄，礦井核定生產能力為110萬t/a。全井田為一不對稱的傾伏向斜構造，其西翼傾角較緩，一般為10～40°，東翼傾角較陡，傾角為20～75°。礦區可采煤層4層，即7-1、12-1、12-2、13號煤層。

2 智能綜采系統存在的問題及原因分析

2.1 通信網絡架構問題及原因分析

對通信網絡架構及數據傳輸帶寬存在的監控視頻畫面卡頓和傳感器數據阻塞兩個問題進行詳細分析。

2.1.1 監控視頻畫面卡頓

監控視頻畫面卡頓主要是因為工作面視頻監控帶寬不能完全滿足所有監控攝像頭工作需要。目前的井下監控系統全部依照百兆局域網標準建設。

工作面現有攝像頭： 60個；1 080 P的傳輸碼率：4～5 Mbit/s，60個攝像頭需要帶寬：240～300 M；720 P的傳輸碼率：2～3 Mbit/s，60個攝像頭需要帶寬：120～180 M。

可見，百兆帶寬局域網已經無法完全滿足順槽集控中心通信網絡要求，如果未來需求繼續增加，將百兆網升級千兆網或萬兆網才可以緩解網絡運行壓力。

2.1.2 傳感器數據阻塞

傳感器數據阻塞，通信網絡質量下降主要是兩方面的原因造成的：①采用的CAN總線的帶寬所限；②CAN總線通信延遲。

苗族的“交牲”習俗很特別，舉行葬禮時有交牲（類似獻飯），安葬之后，幾年里還有交牲。這是家族祭祀，后輩要給死去的叔伯獻上一頭牛，又叫祭“牛王神”。屆時，要殺牛，請客，相當耗費財力。

1) CAN總線帶寬。CAN總線傳輸速率與通信距離的關系見表1。

表1 CAN總線傳輸速率與通信距離的關系

每個支架控制器需要發送或接收的數據通道為14個：5個行程傳感器，3個壓力傳感器，2個紅外傳感器、2個無線傳感器、2個左右鄰架傳感器。支架間的通信開銷、數據校驗、握手應答等需要每個支架按30個數據點計算。假定每個點每秒產生1個數據，每個數據占用2個字節，所需通信帶寬為：

30 ×16 × 112 = 53 760 bps = 53.76 kbps

如果進一步加上姿態傳感器或其他類型傳感器，基本上已經達到了CAN總線的極限負荷。如果將來要進一步提高工作面的智能化程度，例如：電磁先導閥的狀態監控和故障預測、各類傳感器的故障預測等，需要采集大量的電氣數據，且采樣頻率必須遠高于1 Hz，所需的通信帶寬將遠遠超過CAN總線所能提供的帶寬。

2) CAN總線通信延遲。信號隔離耦合器的傳輸延遲，信號傳輸過程的延遲一般為幾us至幾ms。每4個支架1個耦合器，共有28個信號隔離耦合器。通信延時不可忽視，可能引發數據阻塞現象。CAN總線沒有主從之分，靠各節點的優先級來決定通信次序，傳輸延遲可能會導致低優先級的占用數據通道，造成數據阻塞。

2.2 三機協調控制問題及原因分析

在無人化采煤過程中，會出現三機控制不協調的問題，輕則影響工作效率，重則造成設備損毀，嚴重影響正常生產工作。經過對三機控制不協調現象的分析后，發現造成這種現象的主要原因是，三機的控制信息在傳輸時出現數據阻塞和滯后。

三機協調控制主要由井下順槽集控中心來完成。液壓支架采用CAN總線連接，并采用了CAN-以太網服務器，將CAN總線格式數據轉換為以太網格式數據發送至井下順槽集控中心，采煤機和刮板輸送機等其他設備采用RS485總線與485-以太網服務器連接，485-以太網服務器再通過以太網與井下順槽集控中心連接。

分析三機控制信息傳輸時的數據阻塞和滯后，主要受到兩方面因素限制。一方面，采用CAN-以太網服務器和RS485-以太網服務器會在信息轉換過程中不可避免地增加一部分網絡延遲，造成控制指令傳輸的遲緩；另一方面，采用以太網來傳輸實時控制指令，有一定先天劣勢，以太網絡是一種通信“非確定性”網絡，不能同時滿足實時性、穩定性、可靠性、安全性要求。

2.3 采煤機定位問題及原因分析

采煤機的精確定位作為智能化工作面長時間無人化工作的基礎，經過生產實踐的檢驗后，發現會出現采煤機定位不準確，跳架的現象，影響正常生產工作，影響三機的協調控制。

智能化工作面采用了采煤機編碼器為主定位裝置，支架傳感器作為校核的定位方式。但在使用紅外傳感器時，需要盡可能保證紅外接送器和紅外發射器處于同一水平面，保證紅外線的接收效果。若二者高度差過大，會出現跳架的現象，所以紅外傳感器使用條件對于工作面底板的平整度有著較高的要求。采煤機牽引機構在牽引過程中，可能會受到地形或機械磨損等影響，出現打滑或者空轉的現象，造成編碼器計數增大，另外在采煤機運行過程中，編碼器也會不斷累計誤差，都會造成采煤機定位出現偏移。

3 智能綜采系統改進措施

3.1 電液控系統通信網絡架構的優化

針對井下工作面視頻畫面卡頓和CAN總線數據阻塞兩個問題，提出了改進方案，進一步提高電液控系統通信網絡的可靠性。

現有使用的電液控系統通信網絡架構方案和改進后的電液控系統通信網絡架構方案如圖1和圖2所示。針對視頻卡頓問題，在改進方案中建議使用千兆工業以太網進行視頻監控信息的傳輸，千兆工業以太網理論最大傳輸速度為125 MB/s，可以更好地滿足現有工作面監控攝像頭的數據傳輸需求，也可以為今后增加監控攝像頭提供預留接口和帶寬。利用工業以太網代替現有的CAN總線，實現對液壓支架的控制和監視。

圖3對電液控系統通信網絡架構的改進方案進行進一步說明。采用鏈式連接的電液控系統通信網絡，增加了智能網關和兩個頻段的無線AP，智能網關專門針對液壓支架移架時出現的通信短線問題，采用有線傳輸和無線傳輸兩種數據傳輸方式，并且增加了備用電池，用于維持通信暢通。

圖1 電液控系統通信網絡架構原方案示意

圖2 電液控系統通信網絡架構改進方案示意

正常工作，即沒有出現線路短路時，只采用有限傳輸方式進行數據傳輸；在出現線路短路時，智能網關可以立即切換至無線傳輸方式，保證數據正常傳輸，并且在集控中心提示出現線路短路的位置，便于維修。現有2.4G頻段的WIFI帶寬主要為150 M、300 M和450 M等，完全滿足傳輸液壓支架控制指令和監控信息的要求，而5G頻段的WIFI帶寬可以達到千兆以上，可以達到視頻信息的要求。

圖3 電液控系統通信網絡架構改進方案示意

3.2 三機協調及采煤機的精準定位

采煤機的精準定位是三機協調控制的關鍵環節。實時監測采煤機的精準坐標，可以為刮板輸送機的拉直和液壓支架的移架提供準確的參考。現有的采煤機定位方案是智能化工作面采用采煤機編碼器為主定位裝置，支架傳感器作為校核。針對前述分析中指出現有方案的不足，提出一些改進建議。

用于采煤機定位的紅外傳感器只測量采煤機運行至第幾個液壓支架，并沒有準確地測量采煤機的精確位置，并且對于采煤機和液壓支架的相對位置差也有很高的要求，所以，需要采用無線傳感器代替紅外傳感器。作為采煤機定位的輔助方法，可以分別在采煤機和液壓支架上安裝無線傳感器，并且在排頭位置安裝1個作為基準的無線傳感器。不同的無線傳感器依次與采煤機進行通信，標定采煤機相對于液壓支架的位置坐標，而不是采煤機的大致位置。另外，無線傳感器對于采煤機和液壓支架的相對位置差沒有限制要求，相較于紅外傳感器，應用時更加方便。

作為采煤機主定位裝置的編碼器存在誤差累計，影響采煤機的定位準確性，可以在單個編碼器的基礎上加入多個編碼器，提供信息的冗余，通過融合算法修正單個編碼器的誤差。另外，為了避免牽引輪打滑，其編碼器出現空轉現象，造成采煤機定位不準確，可以為采煤機增加從動輪。從動輪不為采煤機提供動力，不會出現打滑現象，利用編碼器記錄其運動過程，提高采煤機定位準確性。采煤機傳感器布置示意如圖4所示。

圖4 采煤機傳感器布置示意

圖5 組合導航基本框架

現有的采煤機定位方式有很多種，相較于紅外傳感器和編碼器組合的定位方式，還可以采用多種傳感器組合的定位方式，例如可以加入慣性傳感器、無線網絡、編碼器和攝像頭。組合導航基本框架如圖5所示。其中，慣性測量單元可以用于測量采煤機在工作面的三維坐標和自身姿態信息；編碼器可以用于測量采煤機行進的里程和行進的方向；攝像機可以采用帶有景深信息的深度相機；無線網絡可以采用UWB網絡測定采煤機的三維絕對坐標，周期性地對采煤機的位置信息進行修正。多種傳感器組合的定位方式可以進一步提高采煤機定位精度，而精確的采煤機軌跡坐標也可以為刮板輸送機拉直和液壓支架移架提供基準。

4 結 語

林盛煤礦地質條件復雜，實施智能開采缺乏成熟的經驗借鑒，通過礦井與廠家協同攻關，對智能綜采系統在林盛煤礦復雜地質條件下的適用性升級改造做了大量工作，針對井下工作面視頻畫面卡頓和CAN總線數據阻塞兩個問題，提出了使用千兆工業以太網進行視頻監控信息傳輸的整改措施，針對三機協調及采煤機定位問題，提出了基于采煤機編碼器和支架紅外傳感器的融合定位算法，將原有的最大誤差2 m以上降低到了0.15 m以下，保證了工作面正常運轉。該智能綜采系統很好地適應了林盛煤礦地質條件復雜的特點，為提升礦井的生產效率和安全生產水平起到了至關重要的作用，對全國復雜地質條件礦井的智能開采有重要的借鑒意義。