快速掘進成套裝備智能化控制系統(tǒng)研究

焦曉峰

(中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

隨著煤礦井下綜采工作面裝備自動化、智能化以及無人化技術(shù)的快速發(fā)展，綜采工作面的開采強度也隨之增加，使煤礦井下巷道掘進的工作量也隨之增加，從而使巷道掘進成為制約煤礦安全高效生產(chǎn)的主要問題。巷道掘進作為煤礦生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，掘進工作面機械裝備的技術(shù)水平直接關(guān)系到煤礦生產(chǎn)能力的提高，高效快速掘進工作面機械化、自動化以及智能化的成套裝備是保證煤礦生產(chǎn)實現(xiàn)安全高效的必要條件，也是我國巷道掘進技術(shù)的發(fā)展方向[1]。因此，提高煤礦快速掘進成套裝備的技術(shù)水平已成為煤礦實現(xiàn)可持續(xù)健康發(fā)展、安全高效集約化生產(chǎn)的重要保障。

由于目前煤礦井下巷道掘進工作面的環(huán)境比較惡劣，安全性能差，煤機裝備的自動化程度低于綜采工作面，而且掘進工作面煤機裝備的系統(tǒng)比較復(fù)雜，需要控制的動作較多，并且對各部分動作的邏輯性、準確性、響應(yīng)速度等要求比較高。目前煤礦井下掘進工作面裝備多為單機人工操作，不能與工作面的其他裝備實現(xiàn)協(xié)同控制，無法充分發(fā)揮采掘裝備的性能和提高掘進工作面的掘進效率[2-3]。因此，需組建一套具有掘、支、運等功能的快速掘進成套裝備智能化控制系統(tǒng)，所有裝備協(xié)同控制，提高整個掘進工作面的掘進效率[4]。

針對以上情況，中國煤炭科工集團太原研究院有限公司與神東煤炭集團合作開發(fā)了高效快速掘進系統(tǒng)，該套裝備主要由掘錨機組、破碎轉(zhuǎn)載機、十臂錨桿鉆機、可彎曲膠帶轉(zhuǎn)載機、邁步式自移機尾組成，包含了采掘、支護和運輸以及通風供水等主要工序，實現(xiàn)了多臺設(shè)備之間協(xié)同控制。該套系統(tǒng)于2014年7月在神東煤炭集團大柳塔煤礦進行工業(yè)性試驗，日最高進尺158m，月最高進尺3088m[5]。第3套快速掘進系統(tǒng)于2017年3月開始在陽煤集團進行工業(yè)性試驗。隨著煤礦井下電氣技術(shù)的快速發(fā)展和快速掘進系統(tǒng)的日漸成熟，智能控制技術(shù)的成功應(yīng)用也將大幅度地降低井下工作人員的勞動強度，為掘進工作面無人化奠定了基礎(chǔ)[6-7]。針對目前的快速掘進成套裝備的使用情況，研究其單機智能控制技術(shù)、多機協(xié)同控制技術(shù)、智能截割技術(shù)、無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、集中控制技術(shù)等一系列關(guān)鍵技術(shù)，使快速掘進工作面逐步實現(xiàn)自動化、少人化、無人化的智能化掘進技術(shù)。

1 快速掘進成套裝備組成

中國煤炭科工集團太原研究院有限公司與神華集團神東公司合作開發(fā)的煤巷快速掘進系統(tǒng)主要由掘錨機、破碎機、十臂錨桿機、邁步式自移機尾、可彎曲帶式輸送機組成，如圖1所示。通過設(shè)備間的相互協(xié)同控制實現(xiàn)采掘、破碎、支護、運輸?shù)裙ば蚝屯L、除塵、供水和供電等輔助工序，涵蓋了掘進系統(tǒng)工藝需求的全部環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了掘、支、運生產(chǎn)工藝的平行作業(yè)，截割斷面一次成巷，實現(xiàn)了快速掘進的目的[8]。中國煤炭科工集團太原研究院有限公司與陽煤集團合作開發(fā)的快速掘進成套裝備，主要由掘錨機組、五臂運錨機、可彎曲帶式轉(zhuǎn)載機、邁步式自移機尾組成，該套裝備根據(jù)現(xiàn)場實際工況在以往的設(shè)計經(jīng)驗上進行了很大的改進，功能更加完善，自動化、信息化程度進一步提高，目前已在陽煤集團進行工業(yè)性試驗，并且該套系統(tǒng)根據(jù)巷道掘進工作面實際情況發(fā)展了幾種不同的系列，快速掘進成套裝備系統(tǒng)已逐漸成熟，相信在不久的將來會得到大規(guī)模的應(yīng)用。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 成套裝備智能化控制系統(tǒng)

快速掘進成套裝備智能化控制系統(tǒng)應(yīng)具有適應(yīng)不斷變化的巷道環(huán)境，能有效地預(yù)測和處理隨機出現(xiàn)的各種工況，并實時地將整個系統(tǒng)的運行狀況傳送至工作面集控中心和地面監(jiān)控中心，能以安全可靠的方式按照生產(chǎn)計劃執(zhí)行相應(yīng)的生產(chǎn)工序，從而達到預(yù)定的生產(chǎn)目標。將快速掘進工作面的設(shè)備作為整體進行設(shè)計，可以從快速掘進工作面的地質(zhì)條件、整個系統(tǒng)的工作性能、生產(chǎn)能力等方面綜合考慮，主要包括單機智能控制技術(shù)、多機協(xié)同控制技術(shù)、智能截割技術(shù)、無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、集中控制技術(shù)等一系列技術(shù)[9-10]，如圖2所示。

圖2 快速掘進成套裝備智能化控制系統(tǒng)

在整個快速掘進工作面的單機設(shè)備之間建立一個無線局域網(wǎng)絡(luò)，將各單機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入無線局域網(wǎng)，利用無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)將工作面上的多臺設(shè)備聯(lián)系起來，實現(xiàn)設(shè)備之間的信息互通，從而達到快速掘進成套裝備間的協(xié)同控制，并且在系統(tǒng)中建立快速掘進工作面監(jiān)控中心，實現(xiàn)對工作面設(shè)備的實時監(jiān)控和統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制工作。

2.1 單機智能控制技術(shù)

單機智能控制系統(tǒng)是由掘錨機組智能控制系統(tǒng)、多臂錨桿機智能控制系統(tǒng)、可彎曲帶式轉(zhuǎn)載機智能控制系統(tǒng)和邁步式自移機尾智能控制系統(tǒng)組成。各設(shè)備的電控系統(tǒng)主要由電氣控制箱、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)、無線遙控系統(tǒng)、電液比例控制系統(tǒng)、交流變頻調(diào)速系統(tǒng)等組成[11-13]，如圖3所示。各快速掘進設(shè)備的電控系統(tǒng)實現(xiàn)對設(shè)備上電機的復(fù)合邏輯控制和保護、電磁閥控制和比例調(diào)節(jié)、傳感器數(shù)據(jù)采集、遠程遙控控制、無線數(shù)據(jù)通信等功能。各設(shè)備電控系統(tǒng)通過無線通信裝置進行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)高效快速掘進系統(tǒng)的協(xié)同控制。

圖3 單機智能控制系統(tǒng)組成

所有設(shè)備的智能控制系統(tǒng)的核心是機載控制計算機，其需要長期工作在振動、粉塵、潮濕的環(huán)境下，并且要與大量的傳感器、執(zhí)行器等器件連接，具有向操作人員提供豐富的圖形化人機交互界面的能力，而且具有擴展能力強、可靠性高、模塊化、通訊接口豐富、易維護等特點。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用來感知煤機設(shè)備自身與周圍的環(huán)境數(shù)據(jù)，它通過采集攝像頭、智能終端、傳感器(瓦斯、液位、壓力、溫度、傾角等)等機身設(shè)備的數(shù)據(jù)來實現(xiàn)對人員、設(shè)備、環(huán)境的監(jiān)測。電氣控制箱中的控制器將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過相應(yīng)的控制算法使設(shè)備做出最佳的運行狀態(tài)，維持設(shè)備正常持續(xù)的運行。

人機交互系統(tǒng)使操作人員可以方便地查詢系統(tǒng)感知到的實時數(shù)據(jù)、整機的運行狀態(tài)參數(shù)以及實時故障和歷史故障查詢功能，使操作人員安全有效地進行井下作業(yè)。

無線通信系統(tǒng)作為單機設(shè)備與工作面無線局域網(wǎng)的接口，其負責將單機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o線局域網(wǎng)中，并且能夠接收其他單機設(shè)備系統(tǒng)數(shù)據(jù)的功能，用來實現(xiàn)工作面成套設(shè)備的協(xié)同控制。

掘錨機組的作業(yè)方式是截割煤壁和錨護同步進行，待錨護作業(yè)完成后才能將整機通過行走機構(gòu)向前移動。隨著掘錨機組掘進功率的不斷增加，巷道支護成為制約掘進效率的主要因素，甚至巷道支護的速度決定著整個快速掘進工作面的掘進速度。第3套快速掘進系統(tǒng)中掘錨機組上含有6部機載錨桿機，五臂運錨機含有5部機載錨桿機，其中3部為全自動錨索鉆機。全自動錨索鉆機通過鉆架上多個傳感器可以感知整個自動化過程的實時工作數(shù)據(jù)，維持自動錨索鉆架的順利工作。全自動錨索鉆機可以實現(xiàn)錨索的自動打孔，減少錨護工作操作人員的工作強度，提高巷道錨索支護的效率，從而提高整個系統(tǒng)的掘進效率。

2.2 多機協(xié)同控制技術(shù)

快速掘進成套裝備智能化控制系統(tǒng)的多機協(xié)同控制技術(shù)主要分為運輸系統(tǒng)協(xié)同控制、可彎曲帶式輸送機和邁步自移機尾協(xié)同控制。掘錨機與五臂運錨機協(xié)同控制、五臂運錨機與可彎曲帶式輸送機協(xié)同控制等，通過設(shè)備間的協(xié)同控制技術(shù)實現(xiàn)成套智能裝備的連續(xù)掘進和協(xié)調(diào)控制[14]。

運輸系統(tǒng)協(xié)同控制系統(tǒng)由掘錨機運輸系統(tǒng)、五臂運錨機運輸系統(tǒng)、可彎曲帶式輸送機和邁步自移機尾組成。通過該系統(tǒng)可以實現(xiàn)逆煤流啟動、順煤流停車和設(shè)備間的聯(lián)動閉鎖等功能。

可彎曲帶式輸送機和邁步自移機尾協(xié)同控制是指當邁步自移機尾接收到前進信號時，可彎曲帶式輸送機則會向后行走，其向后行走的牽引力將會減少邁步自移機尾的前進阻力，促進邁步自移機尾的移動。

掘錨機與五臂運錨機協(xié)同控制功能。通過測距傳感器可以精確地感知兩設(shè)備間的距離，使掘錨機上運輸?shù)拿簤K可以落到五臂錨桿機的運輸槽中，并且使兩設(shè)備保持同步移動，增加成套設(shè)備前進的速度。

五臂運錨機與可彎曲帶式輸送機協(xié)同控制建立在兩設(shè)備之間的無線通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之上，通過相互之間的信息傳輸，可以得知對方的移動方向，當其中的任一設(shè)備向前或者向后移動時，另外一臺設(shè)備也將隨著一起向前或者向后移動，從而增加設(shè)備移動的牽引力，實現(xiàn)整套設(shè)備的快速移動，提高巷道的掘進速度。

2.3 智能截割技術(shù)

掘錨機組的智能截割技術(shù)主要由自動定位技術(shù)、智能截割技術(shù)和自動截割技術(shù)組成。通過裝在機身上的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可以實時監(jiān)控設(shè)備的機身姿態(tài)和掘進方位，從而提高掘進速度并且保證定位的準確性。

智能截割技術(shù)，主要表現(xiàn)在通過采集截割回路的電流值，可以間接得到截割頭負載情況，根據(jù)設(shè)備的實際工作情況自動調(diào)節(jié)截割臂油缸和掏槽油缸的運行速度，從而達到截割參數(shù)的最優(yōu)匹配，實現(xiàn)低速大扭矩、快速高效截割的目的，同時能夠延長電機的使用壽命，保證巷道掘進的連續(xù)性。

自動截割技術(shù)，通過截割高度傳感器和掏槽行程傳感器可以精確地感知掘錨機截割滾筒的位置，通過設(shè)置掘錨機截割滾筒的最大截割高度、最低截割高度、滾筒起始位置、滾筒終止位置以及掏槽前進距離等參數(shù)可以讓掘錨機自動完成一個截割循環(huán)，同時具有記憶截割功能，減少工作人員的工作強度，提高掘進效率。

2.4 無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，煤礦井下的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和調(diào)度系統(tǒng)也越來越成熟，但是對掘進工作面的多臺設(shè)備間的無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)還不成熟。隨著工作面設(shè)備智能化程度的提高，設(shè)備間的網(wǎng)絡(luò)通信顯得越來越重要，通過工作面的無線通信網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的智能化管理，從而建立一套技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、運行可靠和工作效率高的成套控制系統(tǒng)。

工作面無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)作為快速掘進成套裝備智能化控制系統(tǒng)的重要組成部分，如圖4所示，可以使系統(tǒng)中的各臺設(shè)備間可實現(xiàn)相互通信，使多臺設(shè)備能夠協(xié)同控制，相互配合，提高掘進效率。工作面的每一臺設(shè)備除了具有單機智能化工作的同時還要具有豐富的網(wǎng)絡(luò)接口，各單機設(shè)備通過無線節(jié)點接入無線局域網(wǎng)，這樣工作面的所有設(shè)備的運行狀態(tài)信息就可以通過無線通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了信息互通，為快速掘進工作面多設(shè)備的協(xié)同控制搭建了信息通道，從而實現(xiàn)多設(shè)備的協(xié)同控制，由智能化網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)進行集中控制，為實現(xiàn)系統(tǒng)的本地和遠程信息、視頻監(jiān)測等建立條件[15]。

圖4 快速掘進工作面自動化系統(tǒng)

工作面無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將整個掘進工作面的設(shè)備作為一個掘進系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備相互配合共同實現(xiàn)掘進工作面的掘進、錨護、運輸、破碎等生產(chǎn)過程，實現(xiàn)掘進設(shè)備整機在時間、空間、工藝、參數(shù)等多技術(shù)融合，提高整套設(shè)備對生產(chǎn)環(huán)境的適應(yīng)能力。

2.5 集中監(jiān)控技術(shù)

掘進工作面的設(shè)備每天都會隨著巷道的向前推移而移動，設(shè)備的系統(tǒng)比較龐大，控制的動作較多，設(shè)備間的協(xié)同控制功能較多，因此需要在快速掘進工作面中設(shè)計一套集中控制中心，一方面通過控制中心可以監(jiān)控整個快速掘進工作面設(shè)備的工作狀態(tài)和動作參數(shù)，另一方面可以為工作面的所有設(shè)備提供配電功能，可以實時監(jiān)控每臺設(shè)備的用電情況，它是一個集供配電、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、視頻監(jiān)測、無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)管理和數(shù)據(jù)上傳功能于一體的集中控制中心[16-18]。

在快速掘進工作面運輸巷道中建立集中控制中心,該中心通過工作面局域網(wǎng)與工作面上的各子系統(tǒng)進行數(shù)字化通訊,接入掘錨機組控制系統(tǒng)、五臂運錨機控制系統(tǒng)、邁步式自移機尾控制系統(tǒng)及可彎曲帶式輸送機控制系統(tǒng),實時監(jiān)測設(shè)備供電、工作面視頻、工作面設(shè)備運行狀態(tài)等信息。由掘進隊操作人員就地控制工作面設(shè)備的生產(chǎn)過程,也能由監(jiān)控中心操作人員遠程監(jiān)控、移機和控制相關(guān)設(shè)備起停等工作。通過集控中心管理平臺接入千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng),地面調(diào)度指揮中心可以實時監(jiān)控掘進工作面的工作狀態(tài)，實現(xiàn)在地面對工作面設(shè)備的遠程監(jiān)控，逐漸形成快速掘進工作面控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了“以工作面自動控制為主,監(jiān)控中心遠程干預(yù)控制為輔”的工作面自動化生產(chǎn)模式[20]。

3 結(jié)束語

(1)目前的快速掘進成套裝備主要由掘錨機、運錨機、可彎曲帶式轉(zhuǎn)載機、邁步式自移機尾等組成。通過設(shè)備間的相互協(xié)同控制實現(xiàn)采掘、破碎、支護、運輸?shù)壬a(chǎn)工序，涵蓋了掘進系統(tǒng)工藝需求的全部環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了掘進工作面掘、支、運生產(chǎn)工藝的平行作業(yè)，截割斷面一次成巷，實現(xiàn)了快速掘進的目的。

(2)快速掘進成套裝備智能化控制系統(tǒng)的組成。主要包括：單機智能控制技術(shù)、多機協(xié)同控制技術(shù)、智能截割技術(shù)、無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、集中控制技術(shù)等。

(3)煤巷高效快速掘進系統(tǒng)在神東煤炭集團和陽煤集團的掘進工作面得到了應(yīng)用，并取得了良好的使用效果，但是對成套裝備智能化控制系統(tǒng)的研究還不成熟，很多具體問題的實施在實際工礦中還有困難。快速掘進成套裝備系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性還需要提升，智能感知系統(tǒng)采集設(shè)備的可靠性和準確度還有待提升，設(shè)備與設(shè)備之間和設(shè)備與環(huán)境之間的兼容性能還需要優(yōu)化改進。

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