工作面運(yùn)輸設(shè)備協(xié)調(diào)控制關(guān)鍵技術(shù)研究

【摘要】闡述了煤礦工作面采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)和順槽皮帶協(xié)調(diào)控制的必要性和實(shí)現(xiàn)方法，重點(diǎn)研究了順序啟停、聯(lián)鎖控制、智能調(diào)速、故障預(yù)診斷和專(zhuān)家系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)在煤礦工作面自動(dòng)化領(lǐng)域具有創(chuàng)新性。

【關(guān)鍵詞】工作面；運(yùn)輸設(shè)備；協(xié)調(diào)控制；預(yù)診斷；專(zhuān)家系統(tǒng)

1.引言

隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展以及人們對(duì)煤礦生產(chǎn)安全的重視，自動(dòng)化工作面系統(tǒng)得到了更多的關(guān)注。自動(dòng)化工作面系統(tǒng)是指以工作面無(wú)人化為目的，綜合信息采集技術(shù)、協(xié)調(diào)控制技術(shù)、通信互聯(lián)技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)和專(zhuān)家策略的一種綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。無(wú)人化工作面是是煤礦工作面的發(fā)展趨勢(shì)[1]，是保證煤礦工人安全的最本根解決方案。自動(dòng)化工作面系統(tǒng)中，各個(gè)運(yùn)輸設(shè)備的協(xié)調(diào)控制技術(shù)是保證系統(tǒng)順暢運(yùn)行、安全高效的一項(xiàng)重要技術(shù)。

工作面運(yùn)輸設(shè)備包括采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)和順槽皮帶[2]，這些設(shè)備之間本身存在聯(lián)鎖關(guān)系，互為啟動(dòng)和停止條件[3]，這是協(xié)調(diào)控制的第一個(gè)因素，也是基本因素，關(guān)系安全。

協(xié)調(diào)控制的第二個(gè)因素在于節(jié)能高效，運(yùn)輸設(shè)備的耗電量大，如果沒(méi)有出煤的時(shí)候空轉(zhuǎn)，是對(duì)能源的一種浪費(fèi)，而如果出煤量多的時(shí)候快速運(yùn)轉(zhuǎn)又會(huì)對(duì)運(yùn)輸設(shè)備造成損壞，因此根據(jù)出煤量智能調(diào)節(jié)運(yùn)輸設(shè)備的功率及運(yùn)轉(zhuǎn)速率是必要的。協(xié)調(diào)控制的第三個(gè)因素是故障預(yù)診斷，根據(jù)運(yùn)輸系統(tǒng)中每個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析，對(duì)可能出現(xiàn)故障的點(diǎn)做出預(yù)診斷。

2.協(xié)調(diào)控制的必要性

（1）各設(shè)備之間啟停存在聯(lián)鎖關(guān)系，需要協(xié)調(diào)控制。

工作面煤流的順序是從采煤機(jī)到刮板輸送機(jī)，再到轉(zhuǎn)載機(jī)，經(jīng)過(guò)破碎機(jī)破碎后，再到順槽皮帶。破碎機(jī)一般跨在轉(zhuǎn)載機(jī)上安裝，用于將采煤機(jī)割下的大煤塊破碎。對(duì)于控制系統(tǒng)而言，各運(yùn)輸設(shè)備按逆煤流順序啟動(dòng)，順煤流順序停止。

（2）運(yùn)輸設(shè)備耗電量大，需要根據(jù)出煤量智能控制各設(shè)備啟停和運(yùn)輸速度，以起到節(jié)能的作用。

由于煤層的地質(zhì)構(gòu)造不同、采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)不同，每個(gè)時(shí)刻的出煤量是不同的，如果各運(yùn)輸設(shè)備按照相同的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，勢(shì)必會(huì)造成出煤量小的時(shí)候功率浪費(fèi)，出煤量大的時(shí)候功率不足、損壞設(shè)備。因此，按照出煤量實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)各運(yùn)輸設(shè)備的運(yùn)行速度對(duì)于工作面的安全高效運(yùn)行是必要的。

（3）工作面運(yùn)輸設(shè)備的故障會(huì)嚴(yán)重影響煤礦出煤，需要故障預(yù)診斷功能。

目前的工作面自動(dòng)控制系統(tǒng)主要是對(duì)故障進(jìn)行檢測(cè)[4]，當(dāng)故障已經(jīng)發(fā)生的時(shí)候才能檢測(cè)到，控制系統(tǒng)根據(jù)故障類(lèi)型采取相應(yīng)的措施，但故障已經(jīng)發(fā)生，設(shè)備已經(jīng)損壞，對(duì)工作面出煤的影響已經(jīng)造成。因此，故障預(yù)診斷對(duì)于防止故障發(fā)生、防止設(shè)備損壞是必要的。

3.主要研究?jī)?nèi)容

3.1 預(yù)期目標(biāo)

預(yù)期目標(biāo)就是根據(jù)協(xié)調(diào)控制的必要性實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的內(nèi)容。

（1）基本功能：實(shí)現(xiàn)各運(yùn)輸設(shè)備間的順序啟停和聯(lián)鎖控制。這是最基本的功能，是保證安全生產(chǎn)、不發(fā)生重大事故和故障的基本條件。

（2）根據(jù)出煤量的多少，采用耦合器調(diào)速或變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)和順槽皮帶的智能調(diào)速和啟停。高低速驅(qū)動(dòng)、耦合器調(diào)速和變頻調(diào)速是工作面中常用的驅(qū)動(dòng)方式，在這幾種驅(qū)動(dòng)方式的基礎(chǔ)上，結(jié)合采煤機(jī)出煤量的多少進(jìn)行調(diào)速，可最大限度的節(jié)約電能、防止故障。

（3）統(tǒng)計(jì)分析各運(yùn)輸設(shè)備的運(yùn)行狀況，建立系統(tǒng)運(yùn)行專(zhuān)家系統(tǒng)，根據(jù)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)中各設(shè)備可能會(huì)出現(xiàn)的故障做出預(yù)診斷。預(yù)診斷就是根據(jù)歷史推知未來(lái)，用專(zhuān)家策略對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)有可能出現(xiàn)故障的點(diǎn)做出預(yù)告，以便及時(shí)檢修，防范于未然。

3.2 研究?jī)?nèi)容

（1）從系統(tǒng)方面講，研制一套工作面運(yùn)輸設(shè)備協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，主要功能包括：語(yǔ)音通訊、數(shù)據(jù)通信、設(shè)備間閉鎖啟停、設(shè)備間功率協(xié)調(diào)等，除功率協(xié)調(diào)控制功能外，其他功能與現(xiàn)有的工作面通訊控制系統(tǒng)的功能兼容。

（2）從產(chǎn)品方面講，研制的產(chǎn)品包括：系統(tǒng)控制主機(jī)、多功能數(shù)據(jù)終端（語(yǔ)音通訊、急停閉鎖、信號(hào)檢測(cè)、邏輯處理）、驅(qū)動(dòng)設(shè)備專(zhuān)用控制器、系統(tǒng)專(zhuān)用電纜、無(wú)線通信終端、PDA手持巡檢儀等?？刂浦鳈C(jī)是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中樞和控制策略核心，數(shù)據(jù)分析和協(xié)調(diào)控制均在控制主機(jī)實(shí)現(xiàn)。多功能數(shù)據(jù)終端向下兼容原有系統(tǒng)的功能。驅(qū)動(dòng)設(shè)備專(zhuān)用控制器實(shí)現(xiàn)調(diào)速型液力偶合器和變頻器的分布式控制，有利于減輕控制主機(jī)負(fù)擔(dān)、提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于工作面工礦復(fù)雜，環(huán)境惡劣，普通電纜無(wú)法滿(mǎn)足要求，因此需要設(shè)計(jì)工作面控制系統(tǒng)專(zhuān)用電纜。專(zhuān)用電纜需要滿(mǎn)足防護(hù)性好、數(shù)據(jù)傳輸性能好、耐壓性好等要求。無(wú)線通信終端用于實(shí)現(xiàn)工作面的無(wú)線信號(hào)覆蓋，無(wú)線信號(hào)穩(wěn)定覆蓋整個(gè)工作面是無(wú)人化工作面的基礎(chǔ)，是減少現(xiàn)場(chǎng)走線、節(jié)約系統(tǒng)成本的必要措施。PDA手持巡檢儀用于設(shè)備的檢修和巡檢，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或發(fā)出故障預(yù)警需要人工干預(yù)的時(shí)候，PDA手持巡檢儀將發(fā)揮重要作用。

（3）從軟件（策略）方面講，要進(jìn)行以節(jié)能、安全為目的的各運(yùn)輸設(shè)備間的協(xié)調(diào)控制策略研究。策略研究需要專(zhuān)家系統(tǒng)，根據(jù)專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)和建議形成若干算法，以供計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

（4）從安全角度講，要研究以系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)為依據(jù)的設(shè)備故障預(yù)診斷機(jī)制。故障預(yù)診斷是比故障檢測(cè)更高一級(jí)的安全策略，數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)對(duì)比是其中的關(guān)鍵技術(shù)。

3.3 研究成果

（1）研制1套工作面運(yùn)輸設(shè)備協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，建成1個(gè)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)示范基地，滿(mǎn)足各種煤層工作面的協(xié)調(diào)控制需求。

（2）建立以節(jié)能和安全為目標(biāo)的運(yùn)輸設(shè)備協(xié)調(diào)控制策略，實(shí)現(xiàn)各設(shè)備輸出功率和運(yùn)行速率的智能調(diào)整。

（3）建立以系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)為依據(jù)的專(zhuān)家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障的預(yù)診斷。

4.創(chuàng)新點(diǎn)

（1）在工作面運(yùn)輸設(shè)備控制系統(tǒng)中引入?yún)f(xié)調(diào)控制策略，協(xié)調(diào)控制有迫切需求，而現(xiàn)有工作面通訊控制系統(tǒng)大多缺失此項(xiàng)功能。

（2）實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)和順槽皮帶的智能調(diào)速，智能調(diào)速包括兩種：軟啟動(dòng)和過(guò)程調(diào)速，軟啟動(dòng)可以減少設(shè)備本身的損壞和對(duì)電網(wǎng)的沖擊；過(guò)程調(diào)速是指在出煤過(guò)程中根據(jù)出煤量對(duì)運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)行調(diào)速，以起到節(jié)能降耗的目的。

（3）有線無(wú)線混傳技術(shù)保證控制系統(tǒng)的靈活可靠通信，無(wú)線覆蓋工作面是目前的一個(gè)難點(diǎn)，必須確保整個(gè)工作面無(wú)線通信的可靠性。

（4）研制本安型工作面手持巡檢儀，以適應(yīng)智能型工作面的巡檢工作，對(duì)于少人或無(wú)人工作面，正常工作或檢修巡檢也是必要的，手持巡檢儀適用面更廣，應(yīng)用更加靈活，功能更豐富。

（5）建立控制系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)及專(zhuān)家系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)備間的聯(lián)鎖關(guān)系及控制策略，對(duì)可能出現(xiàn)的故障點(diǎn)做出預(yù)診斷，故障出現(xiàn)以后的檢測(cè)可以起到安全的作用，但終究會(huì)影響生產(chǎn)，故障的預(yù)診斷可以提前預(yù)防，為檢修提供依據(jù)。

5.結(jié)語(yǔ)

對(duì)工作面各運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)控制是必要的，也是目前大部分工作面通訊控制系統(tǒng)缺失的一項(xiàng)功能。協(xié)調(diào)控制的關(guān)鍵技術(shù)包括順序啟停、聯(lián)鎖控制、智能調(diào)速、故障預(yù)診斷、專(zhuān)家系統(tǒng)等，是工作面安全運(yùn)行、節(jié)能降耗的重要保證。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)擁有多項(xiàng)創(chuàng)新，具有良好的市場(chǎng)推廣前景。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：孔維社（1982—），男，山東寧陽(yáng)人，碩士，工程師，主要從事煤礦自動(dòng)控制方面的研究工作。