自動化少人綜采工作面的研發(fā)與應(yīng)用

1、自動化少人綜采工作面的研發(fā)與應(yīng)用田生文，田建川神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)機(jī)電管理部，750001摘要綜采工作面是現(xiàn)代化煤礦生產(chǎn)的主要環(huán)節(jié)，是煤礦生產(chǎn)中設(shè)備最多、環(huán)境最惡劣、工作 最復(fù)雜的系統(tǒng)。綜采工作面少人自動控制系統(tǒng)，是以順槽監(jiān)控中心為總控中心，以工作面視 頻、以太網(wǎng)、音頻、遠(yuǎn)控為基礎(chǔ)，以采煤機(jī)記憶割煤為核心，通過自動控制為主，遠(yuǎn)程干預(yù) 為輔的控制方式，實(shí)現(xiàn)在順槽監(jiān)控中心對綜采設(shè)備實(shí)現(xiàn)就地/集中/遠(yuǎn)程三級控制和地面實(shí)時 數(shù)據(jù)和三維虛擬觀測。該系統(tǒng)在神寧集團(tuán)公司梅花井煤礦1102少6工作面的應(yīng)用，大大降低 了勞動強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)了工作面協(xié)調(diào)、安全、可靠的生產(chǎn)，為探索薄煤層工作面 無人化開采積累

2、了經(jīng)驗(yàn)。關(guān)鍵字：自動化監(jiān)控，安全少人，三維虛擬引言薄煤層的安全開采成為近年我國煤礦企業(yè)發(fā)展的焦點(diǎn)。由于薄煤層開采空間小，回采難 度大，效率低、工作人員的行人空間有限，工作人員的安全難以保障，事故頻發(fā)。根據(jù)我國 煤炭儲存及開采現(xiàn)狀，薄煤層的高效開采是必然的趨勢，由于薄煤層按傳統(tǒng)方法開采時員工 勞動強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率及安全系數(shù)較低，目前國內(nèi)自動化采煤工作面開發(fā)得理論已經(jīng)成熟， 但實(shí)際應(yīng)用效果不明顯。本項(xiàng)目以高可靠的傳感技術(shù)、信息傳輸技術(shù)及三維實(shí)時數(shù)虛擬技術(shù)， 開發(fā)了一套適應(yīng)能力強(qiáng)、可靠性高的自動化采煤工作面，以實(shí)現(xiàn)工作面少人自動化開采。自動化控制結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要由三部分組成，綜采單機(jī)設(shè)備第一層、順槽監(jiān)控

3、中心第二層、地面第三層。即 采煤機(jī)控制系統(tǒng)、支架電液控制系統(tǒng)、工作面運(yùn)輸控制系統(tǒng)、三機(jī)通信控制系統(tǒng)、泵站控制 系統(tǒng)及供電系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合（第一層），實(shí)現(xiàn)順槽監(jiān)控中心（第二層）對對綜合機(jī)械化采煤工 作面設(shè)備的協(xié)調(diào)管理與集中控制。通過以太網(wǎng)及礦井環(huán)網(wǎng)將工作面視頻及以設(shè)備運(yùn)行參數(shù)為 基礎(chǔ)的三維虛擬現(xiàn)實(shí)圖像集中地面調(diào)度中心及上級調(diào)度指揮中心（第三層），為地面人員生 產(chǎn)調(diào)度提供實(shí)時可靠數(shù)據(jù)。主要研究內(nèi)容3.1綜采工作面工業(yè)以太網(wǎng)利用工作面的綜合接入器、光電轉(zhuǎn)換器和交換機(jī)，建立一個統(tǒng)一開放的工作面百兆工業(yè) 以太網(wǎng)，構(gòu)建控制平臺，將工作面設(shè)備連接到順槽集控中心的隔爆服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)工作面設(shè)備 信息匯集。3.2綜采工

4、作面視頻系統(tǒng)對工作面關(guān)鍵位置進(jìn)行實(shí)時攝像，通過有線或無線的方式傳輸給工作面以太網(wǎng)，通過以 太網(wǎng)及礦井環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)降V用本質(zhì)安全型顯示器及地面調(diào)度系統(tǒng)。3.2.1采煤機(jī)機(jī)載視頻在采煤機(jī)左右搖臂部各安裝一臺網(wǎng)絡(luò)攝像儀，實(shí)時監(jiān)視采煤機(jī)滾筒上沿及對應(yīng)位置頂 板、支架護(hù)幫板狀態(tài)，以無線方式傳輸?shù)焦ぷ髅婀I(yè)以太網(wǎng)，通過以太網(wǎng)傳輸?shù)降V用本質(zhì)安 全型顯示器。3.2.2液壓支架視頻每6支架安裝1臺礦用本質(zhì)安全型攝像儀，通過順槽控制中心控制其跟隨采煤機(jī)切換視 頻，且同時集中顯示采煤機(jī)附近3臺攝像儀的視頻，也可在順槽監(jiān)控中心調(diào)取任意一視頻， 通過以太網(wǎng)傳輸?shù)降V用本質(zhì)安全型顯示器。3.2.3其他綜采設(shè)備視頻在刮板輸送機(jī)機(jī)

5、頭機(jī)尾、轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)頭、監(jiān)控中心控制臺、順槽膠帶輸送機(jī)機(jī)頭、乳化液 泵站、噴霧泵泵站各安裝1臺攝像儀，并通過工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)降V用本質(zhì)安全型顯示器。 3.3順槽監(jiān)控中心順槽監(jiān)控中心是連接地面和工作面的監(jiān)控中心，安裝在順槽列車上，操作者通過語音通 信進(jìn)行調(diào)度、聯(lián)絡(luò)；通過操作臺可遠(yuǎn)程操控工作面上的相應(yīng)設(shè)備。監(jiān)控中心主要由服務(wù)器、 顯示器、操作臺、喊話器、交換機(jī)等組成。有全自動控制模式、分機(jī)自動控制模式及分機(jī)集 中控制模式。3.3.1全自動控制模式可將集成控制系統(tǒng)設(shè)置為“全自動化”工作模式，通過“一鍵”啟停按鍵啟動工作面綜 采設(shè)備完全自動化運(yùn)行。監(jiān)控中心通過實(shí)時視頻、數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)控工作面綜采設(shè)備運(yùn)行工況

6、， 當(dāng)設(shè)備運(yùn)行異常但系統(tǒng)沒有糾正時，可通過人工干預(yù)手段對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程干預(yù)。如采煤機(jī)搖 臂的調(diào)整、液壓支架的動作等。3.3.2分機(jī)自動控制模式（1）采煤機(jī)自動化采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)依據(jù)采煤機(jī)高度傳感器實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的記憶割煤和遠(yuǎn)程干預(yù)等功能， 實(shí)現(xiàn)以記憶割煤為主，遠(yuǎn)程控制為輔的生產(chǎn)工作模式。煤機(jī)搖臂高度監(jiān)測功能：通過實(shí)時監(jiān)測搖臂的高度，作為采煤機(jī)的智能調(diào)高系統(tǒng)的反 饋依據(jù)，根據(jù)工作面煤層賦存條件實(shí)時改變搖臂高度，調(diào)節(jié)前后滾筒，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自動割煤 操作。智能化快速記憶截割自動控制功能：根據(jù)系統(tǒng)前一次割煤過程中存儲的煤層賦存曲 線，實(shí)現(xiàn)記憶截割功能（包括斜切進(jìn)刀、割三角煤及清浮煤等）。采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制功能：

7、依據(jù)采煤機(jī)主機(jī)系統(tǒng)及工作面視頻，通過操作采煤機(jī)遠(yuǎn)程操作 臺實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)的遠(yuǎn)程控制。通過遠(yuǎn)程控制臺實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制功能，可以進(jìn)行采煤機(jī)的 啟?？刂啤⑦\(yùn)行速度控制和前后滾筒搖臂高度控制等。（2）液壓支架自動化在支架電液控制系統(tǒng)標(biāo)配基礎(chǔ)上，通過增加接近傳感器、傾角傳感器等以實(shí)現(xiàn)液壓支架 的自動化控制?；透兄胺琅鲎?在互幫板安裝接近傳感器，依據(jù)傳感器值判斷護(hù)幫板是否收到位， 防止采煤機(jī)自動化割煤時護(hù)幫板沒有收回發(fā)生干涉。跟機(jī)伸伸縮梁功能：煤機(jī)前滾筒割煤過后需立即伸伸縮梁護(hù)頂?？紤]到煤機(jī)位置在傳 感器失效或遮擋的情況下會有跳變，引起護(hù)幫與滾筒干涉，因此設(shè)計(jì)在煤機(jī)中部進(jìn)行跟機(jī)伸 伸縮梁功能。提高跟機(jī)

8、移架速度的改進(jìn)：改進(jìn)電液控控制軟件，實(shí)現(xiàn)了液壓支架的輔助動作可與支 架移架的主要動作同時進(jìn)行。同時，實(shí)現(xiàn)了鄰架升柱到一定壓力，本架即開始動作的功能， 減少了相鄰支架動作的相對時間。通過改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了平均每個支架移架時間15秒左右的目 標(biāo)，可以滿足采煤機(jī)最高14m/min的運(yùn)行速度。增強(qiáng)抬底效果的改進(jìn):綜采設(shè)備下滑幅度較大，在跟機(jī)移架程序中加入自動底調(diào)功能， 避免了工作面設(shè)備的下滑。3.3.4分機(jī)集中控制模式（1）采煤機(jī)工況監(jiān)測與遠(yuǎn)程集中控制功能，實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)啟停狀態(tài)、電流、功率、左 右搖臂、左右牽引電機(jī)溫度，牽引方向、速度，冷卻水流量、壓力，油箱溫度，左右滾筒采 高或臥底量，采煤機(jī)在工作面位置等

9、的監(jiān)測。同時通過采煤機(jī)監(jiān)控主畫面和視頻畫面，在監(jiān) 控中心對采煤機(jī)在任何狀態(tài)下進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。（2）具有在監(jiān)控中心對液壓支架工況監(jiān)測與遠(yuǎn)程集中控制功能。通過電液控制系統(tǒng)數(shù) 據(jù)和工作面以太網(wǎng)視頻傳輸，在監(jiān)控中心顯示支架數(shù)據(jù)和視頻信息，如傳感器數(shù)值、控制器 狀態(tài)、采煤機(jī)位置及支架視頻等。同時，以電液控計(jì)算機(jī)主畫面和工作面視頻畫面為輔助手 段，在跟機(jī)自動化割煤過程中，使用液壓支架操作臺進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，人工干預(yù)支架動作，以 滿足較為復(fù)雜的地質(zhì)條件。（3）具有在監(jiān)控中心對運(yùn)輸設(shè)備及泵站系統(tǒng)工況監(jiān)測及自動化控制功能。對運(yùn)輸設(shè)備 及泵站系統(tǒng)的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)測（如運(yùn)行速度、電機(jī)溫度、系統(tǒng)供液壓力等），

10、并通過這些參數(shù)為參考對運(yùn)輸設(shè)備及泵站系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程集中控制。3.4地面監(jiān)控系統(tǒng)3.4.1地面監(jiān)控系統(tǒng)平臺在地面調(diào)度室建立了以“地面數(shù)據(jù)服務(wù)中心”為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)、視頻及三維虛擬大屏幕 顯示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對整個工作面實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)將綜采工作面采煤機(jī)、液壓支架、 刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、乳化液泵站、噴霧泵站及供電系統(tǒng)等有機(jī)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)在 地面調(diào)度指揮中心對綜采工作面設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測以及各種數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示等，為井下工作面 現(xiàn)場和地面生產(chǎn)、管理人員提供實(shí)時的井下工作面生產(chǎn)及安全信息。3.4.2流媒體服務(wù)采用了先進(jìn)的流媒體服務(wù)器技術(shù)，它將多個客戶端對同一個攝像頭的流媒體訪問進(jìn)行 代理，極大的減輕了前

11、端網(wǎng)絡(luò)攝像頭的負(fù)荷和礦井環(huán)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)帶寬負(fù)荷，也實(shí)現(xiàn)了礦井環(huán)網(wǎng) 和管理網(wǎng)絡(luò)的之間跨網(wǎng)段的視頻發(fā)布。管理人員通過辦公網(wǎng)絡(luò)，就可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問工作面 的攝像頭，進(jìn)行視頻實(shí)時監(jiān)控。3.4.4工作面三維虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)了基于實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的三維模擬系統(tǒng)，真實(shí)虛擬現(xiàn)場運(yùn)行環(huán)境，可提供直 觀的狀態(tài)監(jiān)測及生產(chǎn)指導(dǎo)服務(wù)。結(jié)語項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了綜采工作面設(shè)備順槽集中控制和地面遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，達(dá)到以下兩點(diǎn)效果： 一是將工人從操作工變成巡檢工，由設(shè)備的自動化替代人工勞動，大大降低了工人的勞動強(qiáng) 度；二是將工人從危險的工作面采場解放到相對安全的順槽監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心對設(shè)備進(jìn) 行遠(yuǎn)程操控，提高了工人的安全系數(shù)。項(xiàng)目的順利實(shí)施，促進(jìn)了煤礦開采技術(shù)進(jìn)步，改變了工人的操作習(xí)慣，改善了工人的 勞動環(huán)境，探索了一條工作面少人化、無人化開采的路子，對探索薄煤層工作面自動化開