綜采工作面采煤機(jī)遠(yuǎn)程智能遙控技術(shù)

易瑞強(qiáng)

(陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 延安 727300)

0 引言

煤炭的開采是綜采工作面最主要的環(huán)節(jié)，其中屬采煤機(jī)割煤開采作業(yè)最為關(guān)鍵。工作中，采煤機(jī)操作人員需要在工作面實時的跟機(jī)操作，精神需要保持高度的集中，同時還須具備快速的反應(yīng)能力。因此，在生產(chǎn)中有效的減少在工作面對人員的依賴性，既能合理的控制采煤機(jī)的割煤、量化生產(chǎn)狀態(tài)，更可以有效地避免生產(chǎn)環(huán)節(jié)的不安全事故的發(fā)生，同時，也為高效率的煤炭生產(chǎn)提供保障[1-3]。

目前，國內(nèi)外采煤機(jī)均已具備記憶截割、遠(yuǎn)程順槽通訊控制等功能，目的是減少工作面的人員操作；介于以上基礎(chǔ)，配合實時采煤機(jī)狀態(tài)姿態(tài)定位和視頻系統(tǒng)，通過操作臺實現(xiàn)的完整控制體系則是采煤機(jī)遠(yuǎn)程智能遙控技術(shù)研究的核心[4-7]?；诓擅簷C(jī)遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)實時監(jiān)視和遠(yuǎn)程控制割煤的基本功能，同時通過遠(yuǎn)程記憶割煤技術(shù)的實現(xiàn)，使采煤機(jī)與運(yùn)輸系統(tǒng)、液壓支架的聯(lián)動控制成為可能，為無人工作面的實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)，為安全高效礦井建設(shè)與生產(chǎn)提供了技術(shù)保障和設(shè)備支撐。

1 發(fā)展現(xiàn)狀及總體要求

1.1 國內(nèi)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，我國國內(nèi)綜采工作面單機(jī)裝備的自動化技術(shù)研究已取得了一些成果，均具有遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，且已經(jīng)完全實現(xiàn)了國產(chǎn)化，基本達(dá)到了國外同類技術(shù)水平[8-10]。在智能型采煤機(jī)方面，國內(nèi)采煤機(jī)基本實現(xiàn)了記憶割煤和采煤機(jī)位置檢測、搖臂調(diào)高控制和機(jī)身姿態(tài)檢測、機(jī)身水平控制等。遙控控制方面，基本都具備機(jī)身遙控器控制，但距離僅僅只有幾米，根本無法將人工解放出采場；然而對真正意義的遠(yuǎn)離采場的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的實際操作和使用卻不盡理想，不但操作的人機(jī)效果體驗不佳，在實際應(yīng)用中采煤機(jī)的各種調(diào)整尚需人工干預(yù)。

1.2 總體要求

綜采工作面生產(chǎn)過程，根據(jù)不同采煤機(jī)工藝的需求而復(fù)雜多樣，對工作面采煤機(jī)本身和煤機(jī)司機(jī)的安全性和穩(wěn)定性提出了很高的要求，為實現(xiàn)操作人員遠(yuǎn)離采場的目標(biāo)，采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制除基本功能之外，還提出了準(zhǔn)確性、響應(yīng)快速、智能化預(yù)警控制、聯(lián)動控制等要求[11-13]。智能化控制技術(shù)的核心正是從控制的穩(wěn)定性、自動化集控程度到智能化的升級，將人為的干預(yù)操作智能化的決策并實現(xiàn)控制，用控制邏輯代替人腦實現(xiàn)快速的預(yù)判和全局的掌控，研究這些內(nèi)容的主要理念應(yīng)圍繞著采煤機(jī)周邊設(shè)備和人員的安全性，所以其控制理念一定是，設(shè)備的集成協(xié)同控制和安全的操作策略，這樣才能充分解放出采場人員和發(fā)揮設(shè)備間的協(xié)同配合，使得開采的安全性和效率得到提高。

2 采煤機(jī)遠(yuǎn)程智能控制技術(shù)

2.1 遠(yuǎn)程控制技術(shù)的系統(tǒng)方案

總體方案：常用的采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，是基于采煤機(jī)自身與其順槽的控制端通訊后，人員操作采煤機(jī)操作臺通過與采煤機(jī)位置監(jiān)測系統(tǒng)通信獲取采煤機(jī)的位置和行進(jìn)方向。依據(jù)采煤機(jī)視頻系統(tǒng)，操作臺發(fā)出相應(yīng)指令(如滾筒的升降、牽引加減速等)，該指令通過數(shù)據(jù)通信總線與采煤機(jī)通信，將信號傳送給采煤機(jī)，從而實現(xiàn)對采煤機(jī)的遠(yuǎn)程控制，總體方案如圖1所示。

圖1 采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

控制流程：在順槽監(jiān)控中心，操作者只需坐在監(jiān)控中心即可通過顯示器觀察到工作面的情況，通過語音通信進(jìn)行調(diào)度、聯(lián)絡(luò)；通過操作臺遠(yuǎn)程操控工作面上采煤機(jī)進(jìn)行割煤，配合采煤機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)、視頻、語音、支架自動跟機(jī)和采煤機(jī)記憶割煤實施工作面生產(chǎn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)集中控制功能。該遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，基于靈活系統(tǒng)框架，可兼容CS/BS架構(gòu)的應(yīng)用，可以實現(xiàn)井下和地面對采煤機(jī)的集中控制的技術(shù)突破，跨時代的讓地面割煤成為可能，其控制流程如圖2所示。

圖2 采煤機(jī)遠(yuǎn)程(井下/地面)控制數(shù)據(jù)流

2.2 安全控制邏輯和操作策略

安全控制流程：由于對于遠(yuǎn)程控制技術(shù)的前提是無人和少人值守的情況，所以關(guān)于設(shè)備和人員的安全必須作為首要前提，在此提出的安全控制流程如圖3所示。

具體操作規(guī)程：其中主要根據(jù)數(shù)據(jù)的流向等各種安全因素的考慮下控制流程，并按照以下幾方面操作規(guī)程執(zhí)行，將安全時刻放到第一位。①遠(yuǎn)程控制開始前確認(rèn)周邊設(shè)備環(huán)境；②遠(yuǎn)控條件允許確認(rèn)工作面環(huán)境；③請求遠(yuǎn)控獲得授權(quán)并發(fā)出預(yù)警；④遠(yuǎn)控過程中時刻保持有人值守；⑤遠(yuǎn)控異常暫停可確認(rèn)安全之后恢復(fù)；⑥遠(yuǎn)控安全退出。以上所有的步驟均從人身安全、生產(chǎn)及設(shè)備的角度出發(fā)，時刻保證閉環(huán)安全控制，使操作人員有足夠的信心進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。

圖3 安全控制流程

2.3 遠(yuǎn)程記憶截割控制技術(shù)

技術(shù)優(yōu)勢：針對現(xiàn)有遠(yuǎn)程記憶割煤功能，記憶割煤是自動割煤的一種模式，其主要思想是通過學(xué)習(xí)的示范刀記憶高度曲線，然后在記憶模式下按照記憶的曲線自動調(diào)整滾筒采高和臥底的方式，在遠(yuǎn)程智能遙控技術(shù)研究內(nèi)容中，除以往的采煤機(jī)自身記憶割煤，主要針對遠(yuǎn)程主機(jī)作為智能核心的自動割煤研究，主要功能均在遠(yuǎn)程主機(jī)內(nèi)完成，比設(shè)備本身的控制器具有更全局更為強(qiáng)大的算法邏輯的優(yōu)勢。

具體功能：遠(yuǎn)程主機(jī)自動工作方式分別為在高度記憶和操作記憶方式下的學(xué)習(xí)模式、記憶模式、干預(yù)模式。①學(xué)習(xí)模式下，進(jìn)行人工操作，進(jìn)行示范(高度和操作)學(xué)習(xí)和在線學(xué)習(xí)(人工干預(yù)將記錄并作為以后記憶割煤的示范(對應(yīng)高度)曲線)；②記憶模式下，采煤機(jī)根據(jù)示范(高度)曲線進(jìn)行記憶割煤，可人工干預(yù)，但人工干預(yù)不修改示范(高度)的曲線；③干預(yù)模式是在記憶模式下人工操作指令干預(yù)之后，遠(yuǎn)程采煤機(jī)主機(jī)將操作權(quán)交給人工操作；按下記憶按鈕或退出干預(yù)按鈕后，遠(yuǎn)程采煤機(jī)主機(jī)收回操作權(quán)，繼續(xù)進(jìn)行記憶割煤。

2.4 采煤機(jī)與支架、刮板等設(shè)備的協(xié)同控制技術(shù)

采煤機(jī)和支架的互幫防碰撞檢測和預(yù)警技術(shù)：通過預(yù)先檢測采煤機(jī)前行方向上是否有支架的護(hù)幫未收回，來達(dá)到防止前滾筒與支架護(hù)幫碰撞的預(yù)警，實時閉鎖控制，避免不安全的隱患發(fā)生。

采煤機(jī)和支架的拉架和推溜漏架檢測技術(shù)：在采煤機(jī)前行割煤方向，為防止支架未拉架到位造成的工作面不在一個直線上。算法通過檢測采煤機(jī)前行方向的支架行程及執(zhí)行動作來決策是否發(fā)生漏架，對漏架進(jìn)行預(yù)警，同時進(jìn)行補(bǔ)架操作，從而實現(xiàn)智能的工作面找直，使無人干預(yù)的情況下自動跟機(jī)提供良好的預(yù)處理。

故障、異常的實時干預(yù)技術(shù)：對于異常故障的連鎖控制，能夠?qū)崿F(xiàn)通過采煤機(jī)反饋的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)信息，進(jìn)行防治故障的異常干預(yù)策略，如截割電流的升高、對割頂和臥底裝煤能力的影響，從而及時的智能干預(yù)滾筒的高度調(diào)整，真正實現(xiàn)無人值守的縱覽全局。

3 需要解決的關(guān)鍵技術(shù)及展望

3.1 需要解決的關(guān)鍵技術(shù)

實現(xiàn)在順槽監(jiān)控中心和地面對采煤機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，將采煤工人真正從采場解放出來，仍存在一些困難，并需解決一些關(guān)鍵問題，主要集中在以下3個方面。

遠(yuǎn)控實時性技術(shù)：數(shù)據(jù)和控制指令在通訊過程中出現(xiàn)工作面到順槽通訊傳輸、網(wǎng)絡(luò)傳輸、人員控制操作臺到主機(jī)等環(huán)節(jié)中易出現(xiàn)延時，這就造成了操作員在通過操作臺遠(yuǎn)程控制指令發(fā)出有一定滯后，對設(shè)備的實時控制會造成很大的影響。因此，解決控制延時問題是核心關(guān)鍵技術(shù)之一。

故障診斷及數(shù)據(jù)分析：通過分析采煤機(jī)的故障信息，可以對采煤機(jī)的健康狀態(tài)進(jìn)行分析掌握，具體為開機(jī)率、運(yùn)行時長、潤滑油溫度、泵電機(jī)溫度等數(shù)據(jù)，可對采煤機(jī)進(jìn)行生命周期的管理，以更好地在無人值守的遠(yuǎn)程監(jiān)控采煤機(jī)，達(dá)到防患于未然的效果。同時對高度曲線的分析，得出根據(jù)當(dāng)前采場的地理環(huán)境，該割煤工藝是否能夠適合或更高效的發(fā)揮生產(chǎn)力，根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程割煤的嚴(yán)謹(jǐn)性，更增加了遠(yuǎn)程控制智能性和安全性，最重要的是大大提升了操作員的遠(yuǎn)程控制方式的信心。以上正是當(dāng)今技術(shù)前沿的大數(shù)據(jù)技術(shù)，如何進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和分析則成為了技術(shù)的重中之重。

遠(yuǎn)控操作的常態(tài)化：根據(jù)實際遠(yuǎn)程割煤的操作過程中，分析割煤工藝和操作習(xí)慣，從安全、值守疲勞度、方便性、快捷性、異常干預(yù)及時性等多方面出發(fā)，為操作員提供更直觀，身臨其境的割煤體驗，培養(yǎng)遠(yuǎn)程割煤習(xí)慣。而這需要大量的實際操作數(shù)據(jù)采集和形成模式的遠(yuǎn)控割煤方式，才能實現(xiàn)遠(yuǎn)離采場的革命性升級。

3.2 技術(shù)展望

采煤機(jī)智能的遠(yuǎn)控技術(shù)必然會成為趨勢，而且自身模塊要能夠更為穩(wěn)定智能的承擔(dān)起“無人化”的開采任務(wù)，同時引用更多新的技術(shù)手段，檢測、預(yù)判可能的故障和關(guān)鍵因素，如煤巖的識別。通過數(shù)字圖像處理技術(shù)對滾筒定位，及支架的干涉檢測，監(jiān)控圖像最終為實現(xiàn)集成視頻能夠全景的顯示、智能的切換2D監(jiān)控畫面與三維監(jiān)控畫面，配合語音提示、軟件智能信息提示，畫面智能切換，終將為采煤機(jī)操作人員提供人性化、智能化的人機(jī)操作平臺。

4 結(jié)語

隨著國家《國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要》和《國務(wù)院關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》的頒布、實施及兩化融合政策的激勵，無人工作面智能化采煤技術(shù)必然迎來發(fā)展的黃金時期?，F(xiàn)在遠(yuǎn)程割煤已然成為日常生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)模式，也必定會成為所有自動化綜采面的必然趨勢。因此，采煤設(shè)備集中遠(yuǎn)程智能控制技術(shù)的發(fā)展必將在國家整體政策的環(huán)境影響下，沿著科技發(fā)展的規(guī)律，向高智能、高信息化的方向發(fā)展，以最終實現(xiàn)工作面采煤無人化。