礦井采煤機自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

王 超

（山西西山煤電股份有限公司馬蘭礦， 山西 古交 030205）

引言

綜采工作面是礦井生產(chǎn)的核心，對綜采工作面進行自動化控制是現(xiàn)代化礦井實現(xiàn)生產(chǎn)管理現(xiàn)代化的關(guān)鍵[1-2]。通過綜采工作面自動化項目的實施，探索在放頂煤工作面實現(xiàn)放煤自動化、生產(chǎn)過程自動化、管理信息化的技術(shù)路線，為放頂煤工作面自動化開采積累經(jīng)驗。

1 總體方案的設(shè)計

綜采自動化系統(tǒng)是將采煤機控制系統(tǒng)、支架電液控制系統(tǒng)、工作面運輸控制系統(tǒng)、三機通信控制系統(tǒng)、泵站控制系統(tǒng)及供電系統(tǒng)有機結(jié)合，實現(xiàn)對綜合機械化采煤工作面設(shè)備的協(xié)調(diào)管理與集中控制。如圖1所示：系統(tǒng)主要由三部分組成，包括綜采單機設(shè)備層（第一層）、順槽監(jiān)控中心（第二層）、地面（第三層）。

圖1 綜采自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 采煤機自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計

所研究工作面采用的是德國艾柯夫SL500系列采煤機且不對外開放遠程控制權(quán)限，綜采自動化控制系統(tǒng)僅能實現(xiàn)采煤機的工況顯示，而采煤機的遠程控制功能完全由采煤機本身的控制系統(tǒng)實現(xiàn)[3-4]。

2.1 采煤機數(shù)據(jù)的實時傳輸、控制及保護

采煤機配套一臺順槽控制計算機，該計算機與采煤機控制系統(tǒng)之間進行通訊，獲取采煤機相關(guān)信息。

采煤機在順槽的監(jiān)控系統(tǒng)對外提供百兆以太網(wǎng)通訊接口向綜采自動化控制系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。通過該接口，可以方便、高效地實現(xiàn)采煤機與集控中心的數(shù)據(jù)傳輸，為礦井自動化及工作面綜采自動化控制系統(tǒng)運行奠定基礎(chǔ)。

通過上述配置結(jié)構(gòu)，可以建立采煤機到順槽的雙向高速通訊系統(tǒng)，使采煤機的各種工作數(shù)據(jù)及保護數(shù)據(jù)傳輸?shù)巾槻劭刂朴嬎銠C，在順槽控制計算上顯示。并可以在采煤機機載視頻系統(tǒng)的輔助下，通過順槽監(jiān)測計算機控制采煤機的一系列動作。順槽控制計算機提供的對外接口也可以與綜采自動化系統(tǒng)主機建立雙向通訊，實現(xiàn)在綜采自動化主機上對采煤機的工況監(jiān)測功能。

2.2 智能控制系統(tǒng)

采煤機操作控制可以分為基本操作控制、遠程監(jiān)控、自主運行控制三種控制方式。

2.2.1 采煤機的基本操作控制

采煤機可以通過機身面板按鈕、端頭站、遙控器等三種方式實現(xiàn)對采煤機的操作控制。其中端頭站和遙控器由前后滾筒處的司機操控，方便根據(jù)工作面情況及時調(diào)整采煤機運行狀態(tài)，機身面板按鈕由主司機操控，主要控制采煤機啟動、采煤機運行狀態(tài)及故障信息查詢、故障復位等操作，也可以控制采煤機的行走狀態(tài)。

2.2.2 采煤機的遠程控制

采煤機可以通過自身的通信線將采煤機的運行狀態(tài)、視頻及故障等信息傳輸?shù)巾槻郾O(jiān)控主機，可在順槽監(jiān)控系統(tǒng)視頻的輔助下實現(xiàn)對采煤機的遠程控制。通過順槽監(jiān)控主機可將數(shù)據(jù)上傳到工作面綜采自動化主機上，如下頁圖2所示。在礦井網(wǎng)絡(luò)建設(shè)完善的情況下，數(shù)據(jù)可以上傳到地面調(diào)度室顯示并且能通過采煤機控制軟件在地面實現(xiàn)遠程控制。同時，操作人員可以在順槽監(jiān)控主機處調(diào)閱并修改采煤機控制系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，減少檢修時間，避免開蓋送電造成的危險性。

2.2.3 采煤機的自主運行控制

采煤機自主運行控制系統(tǒng)有兩種不同的自動化模式：記憶截割模式、隨動截割模式。

1）記憶截割模式：記憶截割模式的設(shè)計是重復已存儲了的采煤機的運行動作。采煤機司機為了采取修正措施，可以中斷采煤機自動運行功能。采煤機由采煤機司機操作運行，相關(guān)數(shù)據(jù)被存入采煤機內(nèi)的計算機存儲器中。在記憶截割模式下，采煤機自動重復在示范刀截割模式下存入采煤機內(nèi)計算機存儲器中的所有運行動作。在記憶截割模式下采煤機自動駕駛，操作可暫時中斷，以便采煤機司機修正搖臂動作。

2）隨動截割模式：采煤機割煤時，工作面被開采出恒定的開采高度。采煤機的前滾筒由司機手動控制，而采煤機的后滾筒則由計算機控制。如果配備擋煤板和破碎機，則為手動控制。采煤機后滾筒目標截割高度是，采煤機機身長度減去預設(shè)定工作面開采范圍之后的前滾筒正在截割的高度。如果采煤機司機將前滾筒抬高或降低，后滾筒也會根據(jù)前滾筒相應(yīng)地自動抬高或降，但在時間上有一個機身長度行程的滯后。在采煤機反向行駛時，采煤機在行駛一個機身長度行程之后便可以啟動。

3 采煤機自動化功能的實現(xiàn)

3.1 監(jiān)測功能

采煤機工況顯示主要包括：左右搖臂、左右牽引軸承的溫度，牽引方向、速度，液壓系統(tǒng)備壓壓力及泵箱內(nèi)液壓油的高度，冷卻水流量、壓力，油箱溫度，左右滾筒高度，機身仰俯角度，采煤機在工作面的位置。采煤機監(jiān)控系統(tǒng)對外提供一路以太網(wǎng)接口，接入到綜采自動化控制系統(tǒng)的以太網(wǎng)交換機內(nèi)。艾柯夫公司采用MODBUS TPC/IP通訊方式向綜合自動化控制系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。

3.2 采煤機遠程控制功能

本工作面采用德國艾柯夫采煤機，并且采煤機配置了順槽監(jiān)控主機，由于監(jiān)控系統(tǒng)體積較大，故暫放置于監(jiān)控中心的另一端（專為艾柯夫、JOY預留的位置），而艾柯夫提供一路以太網(wǎng)接口給綜采自動化系統(tǒng)，通過MODBUS TCP協(xié)議向綜采自動化系統(tǒng)發(fā)布采煤機數(shù)據(jù)，但艾柯夫采煤機不開放控制接口，采煤機的遠程控制由采煤機自身的控制臺實現(xiàn)，方案如圖3所示。

圖2 采煤機與綜采自動化控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸連接圖

圖3 采煤機與綜合自動化系統(tǒng)連接圖

4 采煤機自動化系統(tǒng)應(yīng)用前景

該采煤機主要應(yīng)用于放頂煤工作面。到目前為止，所有放頂煤支架放煤口都是人工操作的，從而造成放煤速度慢，放煤效果受操作人員經(jīng)驗的制約。在該項目中主要的技術(shù)難點在于研究煤巖識別與自動放煤等關(guān)鍵技術(shù)，以提高放煤的可靠性，提高生產(chǎn)效率，并能夠在今后的放頂煤工作面進行大規(guī)模的推廣。

通過實施，可達到以下三點效果：一是將工人從操作工變成巡檢工，由設(shè)備自動化替代人工勞動，大大降低了工人的勞動強度；二是將工人從危險的工作面采場解放到相對安全的順槽監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心對設(shè)備進行遠程操控，提高了工人的安全系數(shù)。三是通過放煤自動化功能的實現(xiàn)，提高生產(chǎn)效率、降低工人勞動強度，為放頂煤工作面自動化開采積累經(jīng)驗。該項目的順利實施將對采煤業(yè)有著較大的影響。

5 結(jié)語

采煤機自動化技術(shù)打破了以成套單機裝備為主、總體協(xié)調(diào)思路，建立了以成套裝備總控制網(wǎng)絡(luò)信息綜合決策為主、單機裝備為執(zhí)行機構(gòu)的體系結(jié)構(gòu)。采用最新自主研發(fā)的煤巖識別傳感器進行煤巖的監(jiān)測，采用接入支架電液控制的方式，達到控制自動放煤的效果。采用記憶的方式將工人放煤的規(guī)律進行記錄，在同一地質(zhì)條件下達到自動放煤的效果。