門克慶煤礦智能化開采系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

倪濤濤，周 劍，曹 昆

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3.中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司 煤炭分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017010)

近年來(lái)，國(guó)家能源局聯(lián)合國(guó)家發(fā)展改革委積極推動(dòng)煤礦智能化發(fā)展，提出創(chuàng)新煤炭高效和智能礦山等關(guān)鍵技術(shù)，從能源發(fā)展戰(zhàn)略層面推動(dòng)煤礦智能化發(fā)展。

目前，提高綜采工作面系統(tǒng)的自動(dòng)化水平已成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外采礦界研究的熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外各企業(yè)都在加快步伐，將最前沿的工業(yè)控制技術(shù)應(yīng)用于井下工作面及順槽設(shè)備上，并對(duì)各設(shè)備進(jìn)行集中控制。目前國(guó)內(nèi)外多家煤礦企業(yè)都已對(duì)工作面自動(dòng)化采煤進(jìn)行嘗試，并取得了一定的效果和成績(jī)，但在使用過(guò)程中還存在一定的不足。為使中煤集團(tuán)的自動(dòng)化采煤技術(shù)得以快速發(fā)展，核心裝備保持技術(shù)領(lǐng)先性，充分占據(jù)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)份額，在總結(jié)集團(tuán)內(nèi)外智能化裝備使用情況的基礎(chǔ)上，本文以中天合創(chuàng)門克慶煤礦3103工作面作為工程背景，對(duì)井下自動(dòng)化開采技術(shù)進(jìn)行升級(jí)，現(xiàn)提出最先進(jìn)的智能化異構(gòu)集成開采技術(shù)。該技術(shù)將對(duì)目前主流的控制技術(shù)進(jìn)行升級(jí)、優(yōu)化，在現(xiàn)有的控制技術(shù)基礎(chǔ)上，著重解決目前自動(dòng)化開采過(guò)程中存在的各項(xiàng)技術(shù)難題，打造中煤集團(tuán)自動(dòng)化開采的樣板工程，打造智能化采煤示范工作面。

1 智能化開采系統(tǒng)組成

整個(gè)系統(tǒng)包括地面和地下兩部分，其中地面主要包括監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制功能，井下是整個(gè)系統(tǒng)的核心區(qū)，主要包括各級(jí)設(shè)備的自動(dòng)化系統(tǒng)及各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互功能。各設(shè)備通過(guò)和智能控制平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，由智能化開采平臺(tái)收集、整合各設(shè)備的實(shí)時(shí)工礦參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)，來(lái)協(xié)調(diào)各設(shè)備之間的協(xié)同動(dòng)作和遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 智能化采煤工作面各系統(tǒng)的建設(shè)

2.1 液壓支架智能控制系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

門克慶煤礦支架電液控制系統(tǒng)由德國(guó)DRD公司出產(chǎn)，(升柱/降柱、推溜/拉架、平衡收/伸、側(cè)護(hù)板收/伸、一級(jí)護(hù)幫收/伸、二級(jí)護(hù)幫收/伸、伸縮梁收/伸、抬底/噴霧)雖然可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的跟機(jī)拉架等功能，但不能滿足目前的智能化需求，需要對(duì)其進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，來(lái)使智能化開采平臺(tái)通過(guò)遠(yuǎn)程控制使支架完成相應(yīng)的操作。

該套支架采用二級(jí)互幫結(jié)構(gòu)，且在設(shè)計(jì)時(shí)未考慮對(duì)互幫狀態(tài)和動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)測(cè)。智能化開采過(guò)程中需要對(duì)護(hù)幫伸出或縮回的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以了解護(hù)幫的動(dòng)作，防止在采煤機(jī)行走過(guò)程中與護(hù)幫進(jìn)行干涉，更好地實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的協(xié)同作業(yè)和協(xié)同保護(hù)功能[1-2]。液壓支架系統(tǒng)主要的研究?jī)?nèi)容包括：①遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸功能;②姿態(tài)監(jiān)測(cè)功能;③遠(yuǎn)程手動(dòng)控制功能;④遠(yuǎn)程自動(dòng)控制功能。

2.1.1 數(shù)據(jù)傳輸

各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互是實(shí)現(xiàn)智能化開采功能的基礎(chǔ)和保障，如何解決智能控制平臺(tái)與支架電液控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸是解決支架電液控制系統(tǒng)智能化開采的關(guān)鍵技術(shù)之一[3-4]。但因?yàn)閭鬏敂?shù)據(jù)過(guò)多，易造成傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)中斷和數(shù)據(jù)遺漏，所以需要充分考慮數(shù)據(jù)的核心內(nèi)容和次要內(nèi)容，在解決該問(wèn)題時(shí)可采用兩種通訊鏈路，以保證通訊的穩(wěn)定性和可靠性。

本項(xiàng)目的智能控制平臺(tái)與支架電液控制系統(tǒng)的順槽控制臺(tái)之間采用modbus/485和modbus/TCP兩種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。modbus/485方式，集中控制系統(tǒng)為主站，支架電液控制系統(tǒng)作為從站。modbus/TCP方式，集中控制系統(tǒng)作為Client，支架電液控制系統(tǒng)作為Sever。

2.1.2 姿態(tài)監(jiān)測(cè)

液壓支架姿態(tài)監(jiān)測(cè)是對(duì)液壓支架采高、護(hù)幫姿態(tài)、伸縮梁動(dòng)作狀態(tài)、頂梁狀態(tài)、立柱壓力和推移行程等進(jìn)行監(jiān)測(cè)[5-7]，從而實(shí)現(xiàn)在開采過(guò)程中對(duì)整個(gè)支架的姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，更好地調(diào)整支架的狀態(tài)，配合其他設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能化開采功能。液壓支架傳感器安裝示意如圖2所示。

圖2 液壓支架傳感器安裝示意

在理想狀態(tài)下，為了全方位掌握支架的姿態(tài)，需要分別在1處安裝角度傳感器檢測(cè)護(hù)幫角度，2處安裝壓力傳感器檢測(cè)護(hù)幫壓力；3處安裝壓力傳感器監(jiān)測(cè)伸縮梁油缸壓力，以判斷伸縮梁動(dòng)作；4處安裝傾角傳感器、采高傳感器，監(jiān)測(cè)頂梁水平狀態(tài)支架高度；5處安裝壓力傳感器，用于監(jiān)測(cè)頂板壓力；6處安裝位移傳感器，用于監(jiān)測(cè)油缸位移。但從成本角度考慮，如果全部傳感器都安裝，會(huì)大量增加成本，給用戶帶來(lái)較大的壓力，且以現(xiàn)有的檢測(cè)技術(shù)和傳感技術(shù)，部分傳感器無(wú)法在井下復(fù)雜的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的功能。隨著工況的改變，維護(hù)能力降低，將會(huì)造成大批的傳感器損壞，從而需要對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性進(jìn)行判斷[8]。所以要根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)水平和傳感器適應(yīng)能力，通過(guò)最少的監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)，借助其他的技術(shù)手段來(lái)對(duì)支架的姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)掌握支架姿態(tài)的目的。

2.1.3 開采模式

液壓支架控制系統(tǒng)同時(shí)具備手動(dòng)開采和自動(dòng)開采兩種模式[9]。在與智能化平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的同時(shí)實(shí)現(xiàn)與采煤機(jī)協(xié)同智能化開采。

1) 手動(dòng)開采。支架電液控制系統(tǒng)能夠通過(guò)在智能控制平臺(tái)處的鍵盤和監(jiān)視器，通過(guò)視頻系統(tǒng)和工況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，掌握支架的姿態(tài)，對(duì)任意一臺(tái)支架進(jìn)行遠(yuǎn)程的手動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)支架姿態(tài)的調(diào)整。調(diào)整的動(dòng)作包括支架的升柱/降柱、推溜/拉架、平衡收/伸、側(cè)護(hù)板收/伸、一級(jí)護(hù)幫收/伸、二級(jí)護(hù)幫收/伸、伸縮梁收/伸、抬底/噴霧，以及成組伸收互幫、伸收伸縮梁、推溜、拉溜、噴霧等功能。并能夠通過(guò)參數(shù)設(shè)置的方式，對(duì)成組控制的數(shù)量和方向等參數(shù)進(jìn)行選擇，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程手動(dòng)控制。

2) 自動(dòng)開采。支架電液控制系統(tǒng)能夠根據(jù)工作面設(shè)備的實(shí)時(shí)工況條件，啟動(dòng)自動(dòng)化開采功能，與采煤機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行配合，通過(guò)智能控制平臺(tái)的統(tǒng)一調(diào)度，實(shí)現(xiàn)工作面全采煤工藝過(guò)程的自動(dòng)化開采。工藝段包括：中部正常割煤、兩端頭斜切進(jìn)刀、兩端頭清煤、兩端頭割三角煤等。支架動(dòng)作包括降架、拉架、抬底、升架、伸收互幫、伸收伸縮梁以及成組推溜等。各動(dòng)作應(yīng)該與采煤機(jī)緊密配合，符合現(xiàn)場(chǎng)的采煤工藝要求。能夠根據(jù)不同的采煤工藝要求進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，便于操作人員根據(jù)不同的地質(zhì)條件進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，更好地符合工人的操作習(xí)慣和現(xiàn)場(chǎng)的工況要求，實(shí)現(xiàn)智能化開采。

此外在自動(dòng)化開采過(guò)程中，影響開采效率的主要是支架動(dòng)作的效率。為解決門克慶煤礦3103智能化工作面作為門克慶煤礦的主力生產(chǎn)面的產(chǎn)量要求問(wèn)題，必須解決限制智能開采效率的一個(gè)瓶頸問(wèn)題——液壓支架的動(dòng)作效率問(wèn)題[10-11]。目前行業(yè)內(nèi)設(shè)置的開采速度主要以支架降移升小循環(huán)的速度為主，如果采煤機(jī)速度過(guò)快則無(wú)法滿足支架降移升小循環(huán)動(dòng)作的時(shí)間要求，容易出現(xiàn)丟架的問(wèn)題，造成工作面設(shè)備無(wú)法正常跟機(jī)拉架，容易造成安全事故，因此為解決高速開采的要求，需要提升支架的動(dòng)作效率，更好地配合采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)高效開采。項(xiàng)目在研發(fā)時(shí)需要重點(diǎn)考慮通過(guò)支架電液控制系統(tǒng)軟件程序解決支架跟機(jī)拉架的動(dòng)作方式和動(dòng)作效率，實(shí)現(xiàn)不同速度模式和工況模式下的智能化開采。

2.2 采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)

門克慶煤礦現(xiàn)有的采煤機(jī)為艾柯夫SL900型采煤機(jī)，其設(shè)備原配有遠(yuǎn)程控制器和自動(dòng)化開采系統(tǒng)，并且可以按照要求開放所有數(shù)據(jù)接口，將采煤機(jī)工況監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(包括電機(jī)溫度、電流、油溫、冷卻水流量等)傳輸至集中控制系統(tǒng)，但采煤機(jī)牽引速度、采高、啟停等控制參數(shù)程度需要進(jìn)一步協(xié)商。且原有采煤機(jī)不支持精確定位和遠(yuǎn)程控制功能。因此要實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的智能化開采需要對(duì)采煤機(jī)的電控系統(tǒng)進(jìn)行改造，使其設(shè)備監(jiān)控及自動(dòng)化功能滿足智能化開采要求。采煤機(jī)系統(tǒng)需要重點(diǎn)做好以下幾個(gè)方面的研究工作。

①如何有效保留現(xiàn)有采煤機(jī)監(jiān)測(cè)功能；②定制化開發(fā)采煤機(jī)的控制功能；③開放最高控制權(quán)限—允許智能控制平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行控制。

2.2.1 采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)工況數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)功能

采煤機(jī)電控系統(tǒng)能夠在保留原有傳感器的基礎(chǔ)上，通過(guò)原廠傳感器，識(shí)別采煤機(jī)的牽引方向、速度、速度限制、當(dāng)前位置、支架號(hào)、記憶截割工藝段標(biāo)識(shí)(各工藝段的狀態(tài)反饋)、左右滾筒高度、橫向傾角、縱向傾角、左右截割電機(jī)電流、左右截割電機(jī)溫度、左右截割電機(jī)狀態(tài)(停止、運(yùn)行、故障)、左右牽引電機(jī)電流、左右牽引電機(jī)溫度、左右牽引電機(jī)狀態(tài)(停止、運(yùn)行、故障)、左右泵電機(jī)電流、左右泵電機(jī)溫度、左右泵電機(jī)狀態(tài)(停止、運(yùn)行、故障)、破碎電機(jī)電流、破碎電機(jī)溫度、破碎電機(jī)狀態(tài)(停止、運(yùn)行、故障)、主從變頻器轉(zhuǎn)速、主從變頻器電壓、主從變頻器母線電壓、主從變頻器IGBT溫度、變壓器溫度、左右搖臂行星減速器油溫、左右搖臂行星減速器油位、左右搖臂正齒輪腔油溫、左右搖臂正齒輪腔油位、左右牽引油溫、左右牽引油位等參數(shù)。

2.2.2 與第三方通訊功能

智能控制平臺(tái)與采煤機(jī)系統(tǒng)之間采用單模光纜和通訊電纜兩種方式連接，兩種通訊方式為冗余設(shè)計(jì)[12]。采煤機(jī)與智能控制平臺(tái)之間的通訊電纜采用采煤機(jī)動(dòng)力線纜中的一對(duì)雙絞線。集中控制系統(tǒng)與采煤機(jī)系統(tǒng)通訊連接如圖3所示。

圖3 集中控制系統(tǒng)與采煤機(jī)系統(tǒng)通訊連接

2.2.3 位置定位功能

采用絕對(duì)位置編碼器通過(guò)采集采煤機(jī)的唯一數(shù)據(jù)，來(lái)對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，在刮板運(yùn)輸機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾擋板處安裝采煤機(jī)位置復(fù)位磁鋼，安裝位置現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)[13]。

2.2.4 控制功能

采煤機(jī)系統(tǒng)應(yīng)具有本地、遠(yuǎn)程控制功能，采煤機(jī)具有本地控制和遠(yuǎn)程控制開關(guān)，只有在遠(yuǎn)程控制模式下，采煤機(jī)才可在智能控制平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能[14]。

1) 人工遠(yuǎn)程控制模式：采煤機(jī)的左右截割啟停、左右搖臂升降、左右泵電機(jī)的啟停、破碎電機(jī)啟停、左右牽引啟停、左右牽引方向加減速、牽引停止、故障信息復(fù)位、硬接點(diǎn)急停。

2) 自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制模式：采煤機(jī)具有記憶截割功能，采用記憶截割自動(dòng)化開采模式，可進(jìn)行人工遠(yuǎn)程干預(yù)，可對(duì)干預(yù)結(jié)果選擇性存儲(chǔ)。

2.2.5 工作面全過(guò)程的記憶截割功能

先由采煤機(jī)師傅割一刀示范刀，然后控制系統(tǒng)會(huì)將采煤機(jī)的各個(gè)信息，包括位置、割煤方向、割煤高度和速度等存入控制器中，隨后的自動(dòng)化割煤流程由記憶的工作參數(shù)自動(dòng)控制運(yùn)行。單軌跡記憶截割圖和雙軌跡記憶截割圖,分別如圖4、圖5所示。

圖5 雙軌跡記憶截割

2.2.6 生產(chǎn)工藝

采煤生產(chǎn)工藝段包括：機(jī)頭至機(jī)尾正常割煤、機(jī)尾掃底、機(jī)尾斜切進(jìn)刀、機(jī)尾割三角煤、機(jī)尾掃底、機(jī)尾至機(jī)頭正常割煤、機(jī)頭掃底、機(jī)頭斜切進(jìn)刀、機(jī)頭割三角煤、機(jī)頭掃底。

各個(gè)工藝段的次數(shù)能夠進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置，適應(yīng)不同礦井開采的實(shí)際情況。工藝段劃分如圖6所示。

圖6 工藝段劃分圖

2.3 視頻監(jiān)控控制系統(tǒng)

門克慶煤礦工作面環(huán)境復(fù)雜，開采條件較差，為滿足數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、時(shí)效性等要求，需要研究一套視頻系統(tǒng)，該套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需具備采煤工作面照度低、粉塵濃度大、空氣濕度大、干擾強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期使用等基本條件。將主要在以下方面進(jìn)行研究：①井下綜采面視頻監(jiān)控系統(tǒng)；②地面視頻處理系統(tǒng)；③遠(yuǎn)程視頻訪問(wèn)系統(tǒng)；④與第三方數(shù)據(jù)交互。

2.3.1 井下綜采工作面視頻顯示技術(shù)

井下綜采面視頻監(jiān)控系統(tǒng)用來(lái)采集井下視頻信號(hào)，同時(shí)將所采集到的信息利用多種轉(zhuǎn)換模式通過(guò)上位機(jī)控制顯示到多臺(tái)監(jiān)視器上[15-16]，該系統(tǒng)可控制最多8臺(tái)監(jiān)視器的同步輸出，輸出模式有：?jiǎn)萎嬅妗⑺漠嬅妗?/p>

2.3.2 視頻監(jiān)視畫面控制及傳輸技術(shù)

視頻控制分為自動(dòng)跟機(jī)模式和手動(dòng)顯示輸出模式兩種。操作人員可通過(guò)上位機(jī)操作面板、鍵盤、鼠標(biāo)等在上位機(jī)軟件進(jìn)行切換輸出。系統(tǒng)每臺(tái)攝像機(jī)均具備56組防區(qū)設(shè)置及防區(qū)內(nèi)自動(dòng)跟蹤功能。操作板內(nèi)可以控制單臺(tái)顯示器顯示畫面的數(shù)量，還能夠在不同的畫面之間任意高速切換。通過(guò)操作面板還能夠設(shè)置攝像儀的初始位置、旋轉(zhuǎn)動(dòng)作及清潔功能。

2.3.3 綜采工作面圖像采集技術(shù)

本次圖像采集將融合國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的高清云臺(tái)旋轉(zhuǎn)攝像儀。該攝像儀采用海康威視高清攝像頭，同時(shí)防爆面通過(guò)納米材料處理，可增加成像的清晰度，減少粉塵附著的概率，并具有自動(dòng)清洗功能。該高清云臺(tái)攝像儀為嵌入式萬(wàn)向攝像儀(KBA127(A))，具有水平360°/俯仰180°全方位旋轉(zhuǎn)監(jiān)控的特性。高清云臺(tái)攝像儀及級(jí)聯(lián)方式如圖7所示。

圖7 高清云臺(tái)攝像儀及級(jí)聯(lián)方式

整個(gè)工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)共布置4組攝像機(jī)：45個(gè)高清云臺(tái)攝像儀(KBA127(A))每隔4架安裝在工作面支架上，3個(gè)高清云臺(tái)攝像儀(KBA127(A))分別安裝在刮板機(jī)機(jī)頭、超前支護(hù)，轉(zhuǎn)載機(jī)上。1臺(tái)定點(diǎn)護(hù)罩安裝在設(shè)備列車上。1臺(tái)定點(diǎn)護(hù)罩(KBA12)安裝在膠帶機(jī)機(jī)尾。高清云臺(tái)攝像儀為嵌入式攝像儀，將攝像頭安裝在液壓支架的頂梁上。

2.3.4 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

支架攝像機(jī)的通訊采用1根6類網(wǎng)線串接實(shí)現(xiàn)通信，并通過(guò)一組D6的電源線串接供電，攝像機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至光端機(jī)處，經(jīng)過(guò)光端機(jī)間的主干網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行匯總傳輸至順槽綜合處理器處，光端機(jī)之間鋪設(shè)1 000兆通信干道，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鲿澈蛯?shí)時(shí)性；光纜接口采用光法蘭快速接插方式，以便光纜被損壞后快速更換與維護(hù)；通過(guò)內(nèi)部處理芯片和主干網(wǎng)絡(luò)帶寬的保障，整體通信延遲比可達(dá)到0.6 ms，高清通信清晰度達(dá)到1 080 P，并保證圖像無(wú)馬賽克、無(wú)卡屏；該系統(tǒng)采用級(jí)連式傳輸，便于故障查找和排除。隔架之間采用標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的快速接插，當(dāng)線纜損壞后可快速恢復(fù)備用線纜，讓線路恢復(fù)變得更為簡(jiǎn)單。

同時(shí)井下視頻監(jiān)控系統(tǒng)將所采集到的原始數(shù)據(jù)通過(guò)一芯光纜發(fā)送至地面視頻處理系統(tǒng)。地面視頻處理系統(tǒng)是用來(lái)將井下發(fā)送上來(lái)的數(shù)據(jù)解壓、還原并輸出至最多3個(gè)大屏幕以備查看，同時(shí)實(shí)現(xiàn)視頻信息歸類和存貯錄像、錄像反調(diào)等功能，該系統(tǒng)具備48個(gè)視頻錄像的處理容量，可供一個(gè)工作面加部分地面監(jiān)控?cái)z像機(jī)的圖像處理，且該系統(tǒng)具備滿負(fù)荷至少30 d的錄像存貯[17]。遠(yuǎn)程視頻訪問(wèn)系統(tǒng)是基于網(wǎng)絡(luò)視頻的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可將視頻信息以局域網(wǎng)、工業(yè)環(huán)網(wǎng)、以太網(wǎng)等模式發(fā)送到個(gè)人電腦、辦公電腦、工業(yè)服務(wù)器等客戶端查看，可最多支持99個(gè)用戶的訪問(wèn)(也可以升級(jí)至999用戶)；且該系統(tǒng)具備手機(jī)WAP訪問(wèn)功能，可在智能手機(jī)上安裝手機(jī)客戶端軟件，從而支持手機(jī)上網(wǎng)的用戶實(shí)現(xiàn)登陸查看視頻圖像。

2.4 智能平臺(tái)控制系統(tǒng)

智能控制平臺(tái)是整個(gè)自動(dòng)化開采系統(tǒng)的“大腦”，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)指揮整個(gè)系統(tǒng)各級(jí)的自動(dòng)化動(dòng)作。智能控制平臺(tái)的穩(wěn)定性和可操控性將決定整套系統(tǒng)的成敗。

智能控制平臺(tái)位于集中控制室內(nèi)，主要放置在順槽設(shè)備列車上，用于放置集中控制系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)裝置、操控裝置及核心主機(jī)，是煤礦井下綜采自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)的核心區(qū)域，操作人員可以通過(guò)對(duì)智能控制平臺(tái)的操作實(shí)現(xiàn)工作面的自動(dòng)化采煤。

2.4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

按照集控室內(nèi)需擺放設(shè)備的外形及安裝尺寸，合理規(guī)劃布局，設(shè)計(jì)三維效果圖。

由于在煤礦井下使用環(huán)境濕度大，集中控制室的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到煤礦井下的特殊環(huán)境，注意防塵、防潮，要做好防銹處理。

煤礦井下頂部有滴水，集控室應(yīng)采取防水措施。

集控室內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)堅(jiān)固耐用，考慮到運(yùn)輸、安裝、起重條件的限制，其外形尺寸和重量應(yīng)盡可能小，滿足煤礦使用要求。

2.4.2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

集中控制室的外形應(yīng)簡(jiǎn)潔，同時(shí)滿足礦方設(shè)備列車的尺寸要求?？紤]在煤礦井下使用環(huán)境濕度大，集中控制室的設(shè)計(jì)應(yīng)防塵、防潮、防水、防銹。此外，集控室內(nèi)部放置的控制平臺(tái)都是精密元器件，集中控制室在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面應(yīng)堅(jiān)固耐用，防止受到運(yùn)輸、安裝、起重方面的影響，對(duì)內(nèi)部設(shè)備造成磕碰。因此，集中控制室在研發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)具有以下特點(diǎn)：

1) 前門采用左右推拉結(jié)構(gòu)，窗口采用防爆玻璃，盡可能加大了玻璃的面積，前門滑道堅(jiān)固耐用，底部滑道留有縫隙，防止煤泥堵塞影響開關(guān)門；

2) 工作臺(tái)按斜面設(shè)計(jì)，便于使用者操作；

3) 集控室上方預(yù)留吊裝螺栓，底部預(yù)留叉車孔，便于裝卸；

4) 集控室內(nèi)部左側(cè)和右側(cè)預(yù)留安裝螺釘和穿線孔，便于以后增加設(shè)備；

5) 集控室內(nèi)部結(jié)構(gòu)堅(jiān)固耐用，保證安裝設(shè)備后在吊裝、運(yùn)輸及移動(dòng)中不開焊、不變形，頂面具有一定的抗壓強(qiáng)度，滿足礦方架設(shè)動(dòng)力電纜的使用需求；

6) 為便于內(nèi)部安裝接線，后部分成4個(gè)小門，可獨(dú)立拆卸，左右兩側(cè)門采用可拆卸轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)開結(jié)構(gòu)；

7) 集控室內(nèi)所有擺放設(shè)備均用螺栓固定，空余的位置盡可能多地焊接固定條或螺栓，用于安裝后期增加的設(shè)備或固定控制電纜；

8) 煤礦井下頂部有滴水，集控室采取防水措施，防止頂部積水導(dǎo)致漏水，集控室內(nèi)地板具有漏水孔；

9) 由于在煤礦井下使用環(huán)境濕度大，集控室為了防銹，內(nèi)、外全部噴漆，外面噴涂(噴塑)白色漆，漆面光滑、均勻、美觀。集中控制室正面和側(cè)面設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 集中控制室正面和側(cè)面設(shè)計(jì)

同時(shí)充分考慮內(nèi)部設(shè)備尺寸、功能布局要求，實(shí)現(xiàn)控制平臺(tái)核心部件均在控制室內(nèi)部安裝擺放。為了實(shí)現(xiàn)綜采工作面智能化控制，集中控制室除了可編程控制箱、直流穩(wěn)壓電源、計(jì)算機(jī)安裝外，其余位置還需安裝其他廠家的集控設(shè)備、視頻系統(tǒng)、支架電液控系統(tǒng)、采煤機(jī)系統(tǒng)和語(yǔ)音閉鎖系統(tǒng)，根據(jù)各個(gè)廠家設(shè)備尺寸重量及使用條件，合理安排布局位置，方便安裝及日常維護(hù)，內(nèi)部設(shè)備安置如圖9所示。

圖9 內(nèi)部設(shè)備布置

2.4.3 智能控制平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

智能控制平臺(tái)軟件系統(tǒng)采用成熟的客戶端/服務(wù)端架構(gòu)的模式進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。根據(jù)服務(wù)內(nèi)容不同，兩端口運(yùn)行的程序不同。服務(wù)器端主要用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互與管理、系統(tǒng)維護(hù)等功能；客戶端用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)井下設(shè)備控制，系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互，實(shí)時(shí)工況數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)分析管理等功能。該系統(tǒng)整體上可以分為以下四個(gè)部分：

1) 數(shù)據(jù)庫(kù)管理。首先是數(shù)據(jù)庫(kù)的建立。根據(jù)業(yè)務(wù)需求，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分析，用最合理的方式使工況數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)交互。該數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的優(yōu)化，還能夠根據(jù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中存在一定問(wèn)題時(shí)，能夠根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整，以最大限度地滿足用戶的需求。再次，具有一定的重組功能，當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)在經(jīng)過(guò)一定時(shí)間運(yùn)行后，因?yàn)閿?shù)據(jù)的不斷修改與插入，其性能會(huì)不斷下降，此時(shí)，需要對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行重新整理，這種數(shù)據(jù)庫(kù)的重組有利于數(shù)據(jù)庫(kù)的維護(hù)。

數(shù)據(jù)交互分為系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)及系統(tǒng)和第三方系統(tǒng)之間的交互。與數(shù)據(jù)交互主要是對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的增、刪、改、查功能進(jìn)行交互。能夠?qū)崟r(shí)存儲(chǔ)從感知層獲取的工況數(shù)據(jù)，能夠刪除不需要的垃圾數(shù)據(jù)，能夠根據(jù)業(yè)務(wù)需求對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和修改。與第三方系統(tǒng)進(jìn)行交互包括與集中控制平臺(tái)相連的各個(gè)子系統(tǒng)，包括采煤機(jī)系統(tǒng)、支架電液控制系統(tǒng)、語(yǔ)音通訊系統(tǒng)、三機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、供液系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、膠帶系統(tǒng)、威震系統(tǒng)、人員精確定位系統(tǒng)等。集中控制系統(tǒng)以工業(yè)總線和工業(yè)以太網(wǎng)的方式從各個(gè)子系統(tǒng)獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)能夠根據(jù)操作人員的業(yè)務(wù)需求，及時(shí)將控制命令和保護(hù)命令下發(fā)至各個(gè)子系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)通過(guò)集中控制平臺(tái)對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同數(shù)據(jù)交互的功能。

2) 業(yè)務(wù)處理部分。該部分主要是為了滿足井下采煤的業(yè)務(wù)需求，而使各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。井下采煤工藝的復(fù)雜性和多樣性導(dǎo)致了系統(tǒng)的定制化程度相對(duì)較高，因此業(yè)務(wù)處理部分必須針對(duì)不同的需求進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)。該部分充分考慮系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求、業(yè)務(wù)邏輯、系統(tǒng)環(huán)境、系統(tǒng)穩(wěn)定性、操作者的使用習(xí)慣等多方面因素，從而保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確、可靠運(yùn)行，沒(méi)有明顯的邏輯錯(cuò)誤和邏輯故障，減少因系統(tǒng)邏輯錯(cuò)誤給用戶帶來(lái)的損失和安全隱患。

3) 前端顯示部分。該部分主要通過(guò)運(yùn)行系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)，讓操作人員一目了然地找到自己關(guān)注的數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，更友善地服務(wù)于操作人員、參觀人員和指揮人員，被廣大使用者所接受。

前端操作系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)首先是具有較高的可靠性。能夠在井下惡劣的環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，以保障對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)業(yè)務(wù)的支持。其次，具有較高的安全性。該系統(tǒng)從邏輯設(shè)計(jì)和后臺(tái)服務(wù)監(jiān)聽等方面都進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)和反復(fù)的測(cè)試。再次，該軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，具有一定的可擴(kuò)展性。能夠根據(jù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行選擇性應(yīng)用不同的模塊業(yè)務(wù)進(jìn)行組合，也能夠根據(jù)后期業(yè)務(wù)的擴(kuò)展，增加相應(yīng)的功能模塊。不需要整體修改軟件的系統(tǒng)架構(gòu)，只需要將新業(yè)務(wù)模塊直接掛在整體架構(gòu)上就能夠滿足礦方的新業(yè)務(wù)需求。第四，該軟件系統(tǒng)具有便捷的維護(hù)功能，軟件系統(tǒng)對(duì)自身的運(yùn)行狀況能夠進(jìn)行記錄，對(duì)指令的下發(fā)具有可追溯性。能夠隨時(shí)了解該系統(tǒng)的各項(xiàng)指令數(shù)據(jù)，及時(shí)監(jiān)測(cè)軟件的運(yùn)行狀況。對(duì)于使用人員來(lái)說(shuō)，更容易發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)出現(xiàn)故障的原因及時(shí)處理問(wèn)題。軟件架構(gòu)如圖10所示。

圖10 軟件架構(gòu)示意

3 結(jié) 語(yǔ)

1) 提出了門克慶煤礦智能化開采系統(tǒng)，對(duì)采煤機(jī)、液壓支架和輸送機(jī)等各系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了智能化設(shè)計(jì)。

2) 研制了成套的智能輸送機(jī)設(shè)備，可以對(duì)輸送機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)速、鏈條自動(dòng)張緊以及膠帶自移機(jī)尾遙控操作、破碎機(jī)的自動(dòng)定時(shí)定量潤(rùn)滑等功能。

3) 開發(fā)了遠(yuǎn)程移動(dòng)APP監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工作面過(guò)程監(jiān)測(cè)、環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、人員監(jiān)測(cè)等功能。

4) 工作面實(shí)現(xiàn)了有線無(wú)線雙通訊傳輸、采煤機(jī)雙系統(tǒng)精確定位、工作面關(guān)鍵部位雙視頻監(jiān)控、集控雙主機(jī)冗余備份、設(shè)備近地優(yōu)先操作策略、集控主機(jī)通訊中斷停機(jī)保護(hù)系統(tǒng)及系統(tǒng)急停閉鎖等功能，有效保障了工作面智能化開采的安全可靠性。