基于高速工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的綜采工作面自動化監(jiān)控系統(tǒng)的研究

【摘要】本文將工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)運用于煤礦井下綜采工作面，實現(xiàn)綜采工作面有線、無線網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋，擴展RS485、CAN等標(biāo)準(zhǔn)接口，實現(xiàn)綜采工作面內(nèi)設(shè)備、系統(tǒng)就近接入，工作面監(jiān)測、控制、視頻、音頻等信號的共網(wǎng)共纜傳輸，利用集中監(jiān)控中心對設(shè)備進行集中監(jiān)控和協(xié)調(diào)控制，為后續(xù)的無人工作面的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)；綜采工作面；自動化；監(jiān)控系統(tǒng)

1.引言

我國是煤炭生產(chǎn)和消費大國，截止2012年底，全國煤炭保有資源查明儲量達(dá)1萬億噸，2012年全國煤炭年產(chǎn)量已超過38億噸。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全國煤礦約1.2萬個，70%以上是中、薄煤層，大部分礦井采用綜采方式進行開采。隨著煤礦企業(yè)招工難，用工成本不斷提高，政策對職業(yè)病防治要求不斷提高，煤礦提出了安全增效、減人提效的采礦思路，而綜采工作面是煤礦生產(chǎn)的關(guān)鍵場所，如何解決綜采工作面自動化問題越來越迫切，特別是薄煤層綜采工作面，由于環(huán)境條件差、空間狹小、工人勞動強度大、安全性差等因素，各大集團公司都寄希望于工作面自動化監(jiān)控系統(tǒng)，利用自動化系統(tǒng)對設(shè)備進行遠(yuǎn)程監(jiān)控，提高工作面安全與生產(chǎn)效率，降低工人勞動強度。

2.綜采工作面自動化發(fā)展現(xiàn)狀

實現(xiàn)少人、無人的自動化采礦是當(dāng)前國際采礦界研究的熱點。美國和澳大利亞的煤炭企業(yè)在這方面走在前面，20世紀(jì)80年代以來，他們在工作面采用了計算機（技術(shù)）、大功率電牽引采煤機、電液控制的液壓支架和具有軟啟動（變頻）功能刮板輸送機，實現(xiàn)了工作面三機（液壓支架、采煤機、刮板機）的自動化及井下環(huán)境安全信息實時監(jiān)測。90年代開始，加拿大、芬蘭、瑞典分別制定了礦山自動化方案，20世紀(jì)90年代初，加拿大國際鎳公司（Inco）開始研究遙控采礦技術(shù)；1992年，芬蘭采礦工業(yè)宣布智能采礦技術(shù)方案；瑞典制定向礦山自動化進軍的“Grountecknik 2000戰(zhàn)略計劃”。在各種政策的指引下，經(jīng)過二十多年的開發(fā)與應(yīng)用，技術(shù)已基本成熟，形成了以比賽洛斯DBT和JOY為代表的監(jiān)控與設(shè)備配套銷售的企業(yè)和以Marco、Tifenbach、EEP為代表的專業(yè)控制系統(tǒng)提供商，各公司分別在2004年前后推出了升級換代產(chǎn)品，在性能、可靠性和自動化水平上又上了一個新臺階，并不斷拓展相關(guān)配套產(chǎn)品和系統(tǒng)，組成自動化工作面監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對工作面所有設(shè)備的監(jiān)測監(jiān)控，最終實現(xiàn)工作面的少人化開采，逐步向無人化開采方式邁進。

國內(nèi)上世紀(jì)九十年代，煤科總院太原分院、鄭煤機、北煤機分別自主開發(fā)出的電液控制系統(tǒng)，但受當(dāng)時的技術(shù)水平和煤炭行業(yè)狀況限制，未能推廣應(yīng)用；從2004年開始，隨著神華支架國產(chǎn)化帶動大量采用電液控制，天地科技與德國瑪珂合資成立了天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，引進了液壓支架電液控制系統(tǒng)，并逐步實現(xiàn)了國產(chǎn)化，在國內(nèi)得到了大量的使用和驗證，性能可靠。隨后國內(nèi)涌現(xiàn)了一批電液控制企業(yè)，比如四川航天、鄭煤機、三一重裝、北煤機和平陽機械廠等，目前北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司和四川神坤的產(chǎn)品已在煤礦井下廣泛應(yīng)用，性能可靠。

3.需求分析

（1）煤礦生產(chǎn)需要

綜采工作面是煤礦生產(chǎn)的源頭，隨著電子技術(shù)、通訊技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷提高，國家政策的長期引導(dǎo)，我國的綜采設(shè)備得到了較大的發(fā)展，比如電牽引采煤機，大采高液壓支架，長距離大運量的刮板機、膠帶機已經(jīng)大量使用于現(xiàn)場，各種單機自動化系統(tǒng)有了一定的發(fā)展。綜采工作面設(shè)備較多，都集中在兩三百米的工作面范圍內(nèi)，而各種設(shè)備的控制工藝、控制方法不同，設(shè)備需配置一定的操作工進行監(jiān)測、控制和檢修，浪費了人力資源，并且設(shè)備檢測不實時，設(shè)備信息不共享，容易導(dǎo)致故障和事故，因此現(xiàn)場需要一套工作面自動化監(jiān)控系統(tǒng)，對工作面這些設(shè)備集中監(jiān)測、控制，實現(xiàn)減員增效。

（2）國家政策引導(dǎo)

根據(jù)國家能源科技“十二五”規(guī)劃，已將基于數(shù)字礦山基礎(chǔ)信息平臺，礦山輔助運輸控制技術(shù)，礦井安全生產(chǎn)信息綜合自動化監(jiān)控技術(shù)，煤巖界面自動識別技術(shù)，基于三維定位的工作面水平控制及遠(yuǎn)程控制技術(shù)，工作面高可靠、高速、實時控制通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及寬帶多媒體平臺，智能化開采生產(chǎn)過程控制軟件，基于傳感網(wǎng)絡(luò)的礦壓實時在線監(jiān)測技術(shù)為研發(fā)方向的礦井?dāng)?shù)字化、工作面自動化技術(shù)，煤炭高效自動化采掘成套裝備等列入規(guī)劃；同樣，在煤炭工業(yè)“十二五”規(guī)劃中明確提出，將“支持煤礦無人工作面開采技術(shù)研發(fā)”，“提高煤礦裝備現(xiàn)代化、系統(tǒng)自動化、管理信息化水平”，推進千萬噸級綜采成套裝備、薄煤層機械化開采裝備、短壁綜采裝備、礦井信息網(wǎng)絡(luò)自動化系統(tǒng)等煤礦重大裝備國產(chǎn)化。國家的政策引導(dǎo)，煤礦企業(yè)將投入大量的資金工作面自動化系統(tǒng)，對市場具有較大的引導(dǎo)和促進作用。

（3）技術(shù)發(fā)展需要

從煤礦自動化技術(shù)發(fā)展趨勢看，全礦井高速信息網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)基本建成，形成了礦井信息高速公路，而實現(xiàn)礦井自動化的關(guān)鍵是各末端的設(shè)備、子系統(tǒng)，而工作面是礦井生產(chǎn)的核心部位，是礦井自動化建設(shè)投入的下一個主要目標(biāo)。隨著采煤自動化程度的提高，為了提高工作面產(chǎn)量和效益，降低生產(chǎn)成本，選用可靠性高、故障率低、管理操作方便、性能優(yōu)良的電氣設(shè)備是各煤炭企業(yè)實現(xiàn)高產(chǎn)高效安全生產(chǎn)的必然選擇。隨著人員數(shù)量的減少，各種監(jiān)測信息不斷提高，對傳輸信道數(shù)量和帶寬提出了更高要求，真正實現(xiàn)高產(chǎn)、高效、高可靠、高安全的新一代自動化自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)了一礦一井一面的集約化生產(chǎn)。

4.設(shè)計方案

綜采工作面自動化監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1、2所示，系統(tǒng)整體上分為三層架構(gòu)，即地面調(diào)度與管理層、監(jiān)控層和設(shè)備層。地面調(diào)度與管理層融入全礦井綜合自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)礦井的集中監(jiān)控和信息發(fā)布；監(jiān)控層由多臺礦用隔爆兼本安型監(jiān)控主機、控制臺等設(shè)備組合成集中監(jiān)控中心，放于順槽設(shè)備列車上，對整個工作面及順槽設(shè)備進行遠(yuǎn)程、集中監(jiān)控；設(shè)備層主要實現(xiàn)綜采工作面采、裝、運、支護及供電等設(shè)備的監(jiān)測與控制。系統(tǒng)在工作面內(nèi)部建立一條以工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)為基礎(chǔ)的高速信息網(wǎng)絡(luò)，擴展各種通用接口，結(jié)合無線wifi設(shè)備的運用，實現(xiàn)工作面有線、無線網(wǎng)絡(luò)信號的全覆蓋，而工作面各種監(jiān)控設(shè)備就近接入網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)工作面監(jiān)測、控制、視頻、音頻等信號的共網(wǎng)共纜傳輸，由集中控制中心整體協(xié)調(diào)工作面采、裝、運、供電相關(guān)設(shè)備的安全、有序、高效運轉(zhuǎn)。

5.結(jié)論

通過與多個集團、礦務(wù)局溝通，整體認(rèn)為此方案切實可行，可以在提高信息傳輸通道帶寬的同時，減少工作面內(nèi)部布線數(shù)量，降低系統(tǒng)維護難度，并且將工作面的各種信息集中到一個集中監(jiān)控中心，由集中監(jiān)控中心對整個工作面人員、設(shè)備進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)，解決了綜采工作面設(shè)備多、信息共享難的問題，將信息上傳礦井自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)了綜采工作面信息與礦井信息的有機融合，為后續(xù)的綜采工作面無人化和礦井的自動化奠定基礎(chǔ)。

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作者簡介：謝兵（1978—），男，四川宜賓人，大學(xué)本科，工程師，現(xiàn)供職于中國煤炭科工集團常州研究院有限公司，主要從事于煤礦自動控制技術(shù)與產(chǎn)品研究。