智能化工作面控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

潘瑞峰

(霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司 木瓜煤礦，山西 方山 033100)

隨著工業(yè)化水平的不斷發(fā)展，煤礦開采的機(jī)械化、自動(dòng)化程度也越來越高，實(shí)現(xiàn)煤礦開采設(shè)備自動(dòng)化控制，是綜采工作面智能化建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。工作面智能化控制主要是實(shí)現(xiàn)對井下設(shè)備的全面監(jiān)控，以此達(dá)到開采的自動(dòng)化，對提高煤礦的開采效率及作業(yè)安全起到關(guān)鍵保障作用。本文在重點(diǎn)分析木瓜煤礦工作面工況特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對提高工作面智能化程度、降低企業(yè)勞動(dòng)成本起到了重要作用。

1 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

以木瓜煤礦S10-102工作面為對象，對智能化控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。智能化工作面控制系統(tǒng)主要包括支架電控及姿態(tài)監(jiān)測分系統(tǒng)、光纖慣導(dǎo)定位分系統(tǒng)、視頻監(jiān)控分系統(tǒng)、巷道集控中心、地面監(jiān)控系統(tǒng)、工作面人員定位感知分系統(tǒng)等[1-3]。在實(shí)際運(yùn)行過程中，可通過液壓支架自動(dòng)跟機(jī)、采煤機(jī)記憶割煤技術(shù)，結(jié)合設(shè)備姿態(tài)反饋、工作面視頻監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)在巷道集控中心對自動(dòng)化設(shè)備的遠(yuǎn)程控制(干預(yù))，最大程度減少工人操作，降低勞動(dòng)強(qiáng)度；同時(shí)，實(shí)現(xiàn)在監(jiān)控中心對工作面設(shè)備的監(jiān)測及集中控制功能[4-5]。整個(gè)控制系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。

2 控制系統(tǒng)中關(guān)鍵分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)備的自動(dòng)化集中控制功能設(shè)計(jì)

在工作面中，由于包含了刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、采煤機(jī)等設(shè)備，而各類設(shè)備雖各自具有一套獨(dú)立的控制系統(tǒng)，但設(shè)備之間未形成一個(gè)閉環(huán)的統(tǒng)一控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對各類設(shè)備的自動(dòng)化集中控制，因此，進(jìn)行了集中控制功能設(shè)計(jì)。首先，根據(jù)設(shè)備的工作特性，確定了各設(shè)備的開機(jī)順序?yàn)椋浩扑闄C(jī)—轉(zhuǎn)載機(jī)—刮板輸送機(jī)—采煤機(jī)(存在聯(lián)鎖關(guān)系)，而各設(shè)備的停機(jī)順序則為：采煤機(jī)—刮板輸送機(jī)—轉(zhuǎn)載機(jī)—破碎機(jī)，對各設(shè)備之間通過RS485通訊總線方式進(jìn)行連接。同時(shí)，在整個(gè)閉環(huán)線路中，增添了控制按鈕、組合開關(guān)、顯示屏等部件，所采集的設(shè)備運(yùn)行信號參數(shù)通過相關(guān)部件的傳輸處理后，在巷道主機(jī)部件中進(jìn)行信號的匯總、分析、判斷，之后將信號傳輸至顯示屏中進(jìn)行信息顯示。整個(gè)自動(dòng)化集中控制系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖1 工作面控制系統(tǒng)總體框架

圖2 自動(dòng)化集中控制系統(tǒng)框架

2.2 視頻監(jiān)控功能設(shè)計(jì)

視頻系統(tǒng)作為綜采自動(dòng)化系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)，提供對工作面開采現(xiàn)場、關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行狀況的視頻輔助監(jiān)測功能。該視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要包括工作面、巷道、集控中心及地面實(shí)時(shí)監(jiān)控，如圖3所示。

圖3 監(jiān)控功能結(jié)構(gòu)框架

其中，工作面和巷道的監(jiān)控系統(tǒng)主要包括礦用本安型云臺攝像儀、礦用隔爆兼本安型直流穩(wěn)壓電源、礦用本安型交換機(jī)、通信電纜等部件；而集控中心則在包含以上部件的基礎(chǔ)上，增加了圖形處理和云臺攝像儀跟隨軟件；另外，地面監(jiān)控系統(tǒng)主要由地面視頻存儲管理服務(wù)器、4T硬盤、地面視頻調(diào)度軟件等組成。

2.3 控制系統(tǒng)自動(dòng)跟機(jī)功能設(shè)計(jì)

隨著工作面回采，采煤機(jī)將不斷向前進(jìn)行移動(dòng)，而工作面中其他設(shè)備，如液壓支架、刮板輸送機(jī)等均需根據(jù)采煤機(jī)的移動(dòng)而向前移動(dòng)。由此，設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)跟機(jī)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，設(shè)置了位移傳感器、紅外線接收器、微控中心、RS484通訊總線等，位移傳感器會在采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)方向上采集設(shè)備的推溜距離，推溜距離將以數(shù)字形式體現(xiàn)，位移傳感器所檢測的信號參數(shù)傳輸至紅外線接收器中進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，最終通過微控中心進(jìn)行分析處理，由此實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)工作位置的實(shí)時(shí)判斷，后續(xù)設(shè)備則根據(jù)事先編制的程序，實(shí)現(xiàn)與采煤機(jī)相對距離的自動(dòng)跟進(jìn)，控制系統(tǒng)自動(dòng)跟機(jī)分系統(tǒng)框架示意如圖4所示。

圖4 工作面控制系統(tǒng)總體框架

2.4 設(shè)備集中故障報(bào)警功能設(shè)計(jì)

各設(shè)備在運(yùn)行過程中，雖已對設(shè)備的整體運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了系統(tǒng)監(jiān)測及控制，但當(dāng)設(shè)備運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障，需通過控制系統(tǒng)對不同設(shè)備的故障信息進(jìn)行統(tǒng)一匯總報(bào)警，以此實(shí)現(xiàn)對各設(shè)備故障的統(tǒng)一故障巡查及維護(hù)保養(yǎng)，提高整套系統(tǒng)的運(yùn)行效率及安全性。由此，所設(shè)計(jì)的集中故障報(bào)警系統(tǒng)主要包括對液壓支架、采煤機(jī)、膠帶、開關(guān)、泵站、輸送機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、故障信息進(jìn)行分析及判斷，且具備對工作面語音系統(tǒng)狀態(tài)顯示，包括電話閉鎖狀態(tài)顯示、急停狀態(tài)顯示和斷路位置顯示等。其中，對液壓支架故障報(bào)警包括程序丟失、參數(shù)錯(cuò)誤、輸入錯(cuò)誤、輸出錯(cuò)誤、通訊錯(cuò)誤、人機(jī)交互錯(cuò)誤和安全操作裝置故障等；對輸送機(jī)故障報(bào)警包括設(shè)備的每臺減速器及電動(dòng)機(jī)的溫度、壓力、流量、位移、轉(zhuǎn)速等信息。同時(shí)對輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)和相關(guān)泵站實(shí)現(xiàn)集中順序啟停控制和工作面沿線的語音預(yù)警和對講功能。設(shè)備集中報(bào)警顯示界面如圖5所示。

3 控制系統(tǒng)的現(xiàn)場應(yīng)用分析

為驗(yàn)證該控制系統(tǒng)的各項(xiàng)性能是否滿足當(dāng)前井下工作面使用需求，將該控制系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場測試，在將近5個(gè)月的測試中，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能實(shí)現(xiàn)對井下相關(guān)設(shè)備的集中控制、視頻監(jiān)控及故障報(bào)警控制，能清晰觀察到工作面中采煤機(jī)、液壓支架、人員的工作狀態(tài)?，F(xiàn)場測試表明，設(shè)備的故障率降低了將近30%，故障檢修效率提高了45%，停機(jī)累積時(shí)間縮短了近200 h，有效保證了井下的正常作業(yè)及安全，間接給企業(yè)帶來了近50萬的經(jīng)濟(jì)效益。

圖5 設(shè)備集中報(bào)警顯示界面

4 結(jié) 語

自動(dòng)化、智能化工作面的建設(shè)是煤礦企業(yè)的發(fā)展方向，本文結(jié)合木瓜礦工作面的實(shí)際工況特點(diǎn)，開展了智能化工作面控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及現(xiàn)場應(yīng)用測試。實(shí)踐表明：該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和控制性能，大大降低了設(shè)備的故障發(fā)生率及停機(jī)檢修時(shí)間，給企業(yè)帶來了較大的經(jīng)濟(jì)效益。