無人工作面智能采煤機電控系統(tǒng)研究

（國家能源集團國電建投內(nèi)蒙古能源有限公司察哈素煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017200）

煤炭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對我國工業(yè)發(fā)展具有重要的推動作用，近年來，無人工作面開采逐漸受到煤炭行業(yè)的重視。自動化技術(shù)在煤礦開采工作中得到廣泛應(yīng)用。合理利用多種智能化技術(shù)開展煤礦開采操作有利于提升煤礦企業(yè)管理實效性。在無人工作面應(yīng)用采煤機自動控制技術(shù)，已成為國內(nèi)外采礦行業(yè)研究的重要課題。

一、概述

無人采礦利用目前最先進的技術(shù)，包括地下通訊，工藝設(shè)計，采礦系統(tǒng)，采礦工藝包括自動鑿巖，自動裝巖，自動卸巖等，技術(shù)基礎(chǔ)是高速地下通訊系統(tǒng)與高精度地下定位，無人工作面采煤技術(shù)是工作在回采工作面以外的地點操控機電設(shè)備，完成工作面的破煤、裝煤、運煤等各項工序。無人采礦開采范圍廣，包括薄煤層可實現(xiàn)刨煤機無人自動化采煤，利用無人工作面開采高瓦斯煤層實現(xiàn)瓦斯的預先釋放，保證生產(chǎn)安全。利用現(xiàn)代科技豐富改進傳統(tǒng)開采水平，無人工作面在先進完善的頂板監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)下進行。實現(xiàn)資源的合理化配置，生產(chǎn)過程采用先進的自動化技術(shù)，生產(chǎn)能力大，效率高。

二、采煤機電控系統(tǒng)

（一）整體設(shè)計

1.車載控制及監(jiān)測單元。采煤機車載控制及監(jiān)測單元主要包括：本地監(jiān)測部分。主要功能是獲得采煤機運行中的各種工作參數(shù)，包括：電氣系統(tǒng)監(jiān)測模塊、傳動系統(tǒng)監(jiān)測模塊、液壓系統(tǒng)監(jiān)測模塊、采煤機姿態(tài)及位置監(jiān)測模塊和環(huán)境系統(tǒng)監(jiān)測模塊；采煤機中央控制部分。采煤機中央控制單元主要實現(xiàn)采煤機的煤巖識別算法及記憶截割算法，從而實現(xiàn)自動化采煤；運行控制部分?；诓擅簷C中央控制單元的指令，實現(xiàn)采煤機的運行控制，比如采煤機起動、停止，升／降滾筒，左／右牽引等翻；通信部分。完成采煤機本機和順槽控制單元、遠程控制單元之間冗余通信及數(shù)據(jù)交換。

2.遙控控制單元。采煤機用遙控發(fā)送器是用來發(fā)射一定頻率的高頻信號，該信號經(jīng)遙控接收器接收后，轉(zhuǎn)換為CAN 總線信號，與采煤機電控箱通訊，從而實現(xiàn)采煤機各種控制功能的設(shè)備。左，右遙控功能需要具備左行、右行、牽停、主停、左佑升、左／右降、左／右加、左佑減等功能。

3.順槽集中控制單元。采煤機操作人員可以在順槽集中控制臺，利用視頻監(jiān)測系統(tǒng)，通過采煤機手動控制終端控制采煤機的各種工作順槽集中手動控制單元主要包括順槽防爆計算機、采煤機手動控制平臺、通信單元等。

4.地面遠程控制單元。通過煤礦井下光纖環(huán)網(wǎng)、工業(yè)以太網(wǎng)、工作面視頻監(jiān)測系統(tǒng)，可以在地面監(jiān)控中心遠程控制綜采工作面采煤機的工作。地面遠程控制單元主要包括遠程監(jiān)控中心計算機、網(wǎng)絡(luò)交換機、uPs電源、避雷器等。

（二）數(shù)據(jù)采集單元硬件設(shè)計

該數(shù)據(jù)采集單元主要包括：傳感器數(shù)據(jù)連接插排、數(shù)據(jù)存儲模塊、ARM核心處理器、CAN 總線通信模塊、Rs485 總線通信模塊、以太網(wǎng)通信模塊、電源轉(zhuǎn)換單元等。

1.模擬數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計。R43 為150 n 是采樣電阻，4mA～20mA 的電流從AIN3 口進入以后，轉(zhuǎn)變成0.6V～3 V 的電壓，再經(jīng)過由LM358 運算放大器設(shè)計的電壓跟隨器，電壓轉(zhuǎn)變到LM358 的1 號引腳，R63 是起到抑制電流過大的作用，防止過大的電流對后面集成芯片的損害。

2.據(jù)采集單元軟件設(shè)計。數(shù)據(jù)采集單元的軟件功能設(shè)計主要有兩方面的作用：為了實現(xiàn)實時對采煤機工作情況監(jiān)測，在采煤機上布置穩(wěn)定、可靠的工業(yè)傳感器，通過采煤機的采集板進行狀態(tài)匯總，上報給采煤機主控板，實現(xiàn)采煤機的工作參數(shù)監(jiān)鋇口及采煤機姿態(tài)位置監(jiān)測，保證整個無人工作面能夠安全、高效、穩(wěn)定運行；為了采集用戶的操作動作(操作桿、按鈕等)，轉(zhuǎn)換成控制指令，然后通過CAN 總線或485 總線發(fā)送到采煤機運行的控制板上，由控制板解析命令以控制采煤機的運行。

三、無人工作面技術(shù)應(yīng)用

以某礦業(yè)介紹數(shù)字化無人開采技術(shù)的應(yīng)用，采煤工藝選用綜采，全部挎落管理頂板，根據(jù)礦壓參數(shù)選取工作面設(shè)備，ZY3300 電液控鄰架操縱，SGZ630/220 工作面刮板運輸機運輸能力450t/h,.SPJ-800 膠帶輸送機運輸能力350t/h，監(jiān)控系統(tǒng)采用超低照度，廣角視頻監(jiān)控系統(tǒng)，采煤機采用遠程監(jiān)控系統(tǒng)，集中控制室內(nèi)放置視頻檢測，三級聯(lián)動控制系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備。采煤機遠程控制系統(tǒng)采用嵌入式工控機處理采煤機運行姿態(tài)信息，采煤機司機在集控中心室通過安裝探頭提供的采煤機信息實現(xiàn)搖臂傾角，實現(xiàn)采煤機自動化無人干預割煤進刀前，通過采煤機工控機采煤機割煤，程序自動記憶割煤數(shù)據(jù)，激活技藝割煤功能。采煤機司機確認范刀可用煤機將讀取采煤機歷史運行狀態(tài)，通過系統(tǒng)提供的設(shè)備運行狀態(tài)發(fā)現(xiàn)異常時，可通過采煤機遠程控制系統(tǒng)隨時結(jié)束記憶割煤功能。

工作面液壓支架采用pm32 電液控制系統(tǒng)，由井下主控計算機，紅外線發(fā)射器，耦合器，網(wǎng)絡(luò)終端器，架間電源電纜，電磁先導閥等組成。電液控制系統(tǒng)具有跟機自動化，領(lǐng)架操作與手動操作等工作方式。液壓支架跟機自動化功能以采煤機位置為依據(jù)，由采煤機機空外線發(fā)射器與支架安裝紅外線接收器實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，紅外接收器將檢測采煤機位置信息傳給主控系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)采煤機位置信息自動發(fā)出命令指揮支架控制器完成操作。受到采高限制等因素影響時，需采用割頂破底開采，會出現(xiàn)采煤機鎬型截齒消耗快，CIA面積裝煤效果差等情況，通過加大滾筒螺旋升角，加設(shè)采煤機梨煤板可有效解決。

采煤機自動控制技術(shù)的應(yīng)用，對實現(xiàn)高效無人化開采提供了有效途徑。對保障生產(chǎn)安全，由勞動密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變，具有重大的現(xiàn)實意義。采煤自動控制技術(shù)對煤層地質(zhì)條件要求較高，較適用于頂板穩(wěn)定的工作面，否則需改用人工操作。為提高無人開采工作面的生產(chǎn)效率，需進一步研究應(yīng)用多傳感器智能截割控制技術(shù)等新技術(shù)，提高對復雜煤層的適應(yīng)能力。