煤礦綜采工作面智能化管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

雷富海

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，智能技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到包括煤礦工業(yè)在內(nèi)的許多領(lǐng)域。雖然綜采工作面智能管理系統(tǒng)的構(gòu)建可以顯著提高煤礦作業(yè)效率和質(zhì)量，但智能技術(shù)在綜采工作面實(shí)際應(yīng)用時(shí)間相對(duì)較短，在實(shí)際操作中仍存在一些問(wèn)題，這需要改進(jìn)。煤礦井下使用的設(shè)備在工作時(shí)容易受到外界環(huán)境的影響或干擾，給工作面智能化管理和控制帶來(lái)一定的困難。為了促進(jìn)智能技術(shù)在綜采工作面中的應(yīng)用與發(fā)展，許多學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究，一些煤礦企業(yè)也在實(shí)踐中進(jìn)行了有益的探索，結(jié)合自身?xiàng)l件建立了智能工作面，并取得了很多成就。

關(guān)鍵詞：煤礦綜采工作面;智能化管理系統(tǒng);設(shè)計(jì)與應(yīng)用

一、智能化管理系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

在深入分析東江煤礦綜采工作面實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，對(duì)智能化管理系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，如圖1所示。從圖1中可以看出，整個(gè)智能化管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可以劃分成為3個(gè)層級(jí)，分別為礦井工作面采煤設(shè)備層、單個(gè)設(shè)備控制系統(tǒng)層、計(jì)算機(jī)智能化集中控制層。采煤設(shè)備除了常見(jiàn)的采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)等之外，還包括生產(chǎn)輔助設(shè)備包括水泵、通風(fēng)機(jī)等。

為了更好的實(shí)現(xiàn)智能化管理控制，對(duì)一些重要的采煤設(shè)備比如液壓支架、采煤機(jī)等安裝高清攝像頭。每種采煤設(shè)備或裝置都對(duì)應(yīng)有設(shè)備控制系統(tǒng)，作用是對(duì)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，包括工作時(shí)的功率、電壓、電流、溫度等參數(shù)，并對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析與控制。計(jì)算機(jī)智能化集中控制層主要包括交換機(jī)、計(jì)算機(jī)服務(wù)器等硬件設(shè)施，主要作用是對(duì)井下各設(shè)備控制系統(tǒng)傳輸上來(lái)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合分析與評(píng)判，可以實(shí)現(xiàn)井下所有采煤設(shè)備及其他輔助裝置的集中控制，達(dá)到設(shè)備之間相互聯(lián)動(dòng)的效果。

不同采煤設(shè)備之間的距離較遠(yuǎn)，東江煤礦設(shè)備之間的最大距離超過(guò)了2km，對(duì)數(shù)據(jù)信息的傳輸速度提出了較高要求，管理系統(tǒng)基于TCP/IP技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的輸送，可以將傳輸延時(shí)控制在0.5s范圍內(nèi)。計(jì)算機(jī)服務(wù)器需要對(duì)多個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行綜合控制，對(duì)運(yùn)算速度和性能提出了一定的要求。管理系統(tǒng)在結(jié)合礦井實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，選用西門(mén)子公司研制生產(chǎn)的S7-1200型PLC控制器，性能滿足要求。

二、智能化管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

1.高清視頻監(jiān)控技術(shù)

根據(jù)智能化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，需要在綜采工作面中布置一系列的高清攝像頭對(duì)井下部分重要環(huán)節(jié)進(jìn)行全覆蓋監(jiān)控，采集礦井下的視頻信息，利用工業(yè)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)轿挥诘孛娴谋O(jiān)控中心。畫(huà)面可以實(shí)時(shí)呈現(xiàn)在監(jiān)控屏幕上，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信息也會(huì)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)服務(wù)器中，以便調(diào)取，達(dá)到工作面可視化的效果。該案例中使用的都是云臺(tái)攝像儀。此類(lèi)設(shè)備不僅具備良好的防爆性能，還可實(shí)現(xiàn)角度切換，水平方向上可以旋轉(zhuǎn)180°，垂直方向上可以旋轉(zhuǎn)75°。基于先進(jìn)的軟件技術(shù)，攝像頭可以跟隨設(shè)備一起移動(dòng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控采煤機(jī)滾筒截割煤壁以及液壓支架移動(dòng)等過(guò)程，達(dá)到智能化監(jiān)控與管理的目的。

2.液壓支架電液控制技術(shù)

先進(jìn)的智能化電液控制技術(shù)，主要是在液壓支架中布置大量的傳感器，對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)液壓支架的移架動(dòng)作、移架順序、初撐力大小設(shè)置等相關(guān)過(guò)程進(jìn)行管理與控制。液壓支架工作時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息會(huì)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)服務(wù)器中進(jìn)行分析和儲(chǔ)存。該系統(tǒng)本身具備有故障診斷功能，一旦液壓支架存在安全隱患或發(fā)生故障，系統(tǒng)可以快速確定故障位置及類(lèi)型，發(fā)出聲音警報(bào)。如果故障存在比較大的安全隱患，系統(tǒng)則會(huì)緊急閉鎖，停止設(shè)備運(yùn)行。智能化管理系統(tǒng)不但可以對(duì)某個(gè)液壓支架進(jìn)行自動(dòng)控制，也可對(duì)所有的液壓支架進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，同時(shí)又可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制。圖2為液壓支架電液控制技術(shù)原理。

3.采煤機(jī)的智能化控制技術(shù)

在采煤機(jī)設(shè)備上，安裝定位傳感器和采高傳感器等檢測(cè)裝置，可以對(duì)采煤機(jī)的位置及工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，再結(jié)合采煤機(jī)設(shè)備本身的記憶切割功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)的智能化管理控制。8號(hào)工作面使用的采煤機(jī)，前滾筒和后滾筒分別對(duì)工作面頂煤和底煤進(jìn)行切割開(kāi)采，設(shè)備具有22象限記憶切割功能，運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的軌跡信息、割煤時(shí)間以及刀數(shù)等都會(huì)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)服務(wù)器中進(jìn)行管理和監(jiān)管，位于地面的監(jiān)控中心可以對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，特殊情況下可以通過(guò)人工的方式進(jìn)行控制。

4.裝備順序停機(jī)控制技術(shù)

當(dāng)綜采工作面停止開(kāi)采工作時(shí)，要求智能化管理系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)按照一定的順序停機(jī)，以達(dá)到保護(hù)采煤設(shè)備和井下供電網(wǎng)絡(luò)的目的。設(shè)計(jì)的裝備順序停機(jī)控制技術(shù)，主要是對(duì)各裝備的空載作業(yè)電流進(jìn)行檢測(cè)分析并判斷。一旦智能化管理系統(tǒng)啟動(dòng)順序停機(jī)程序，通常需要首先對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行停機(jī)處理，確保在源頭上沒(méi)有煤礦物料產(chǎn)生，再對(duì)刮板輸送機(jī)的運(yùn)行電流進(jìn)行檢測(cè)，直到判斷刮板輸送機(jī)上無(wú)載荷為止，然后依次對(duì)轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、膠帶輸送機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行電流進(jìn)行檢測(cè)，直到達(dá)到空載電流標(biāo)準(zhǔn)時(shí)才停止運(yùn)行。如果采煤設(shè)備能夠按照一定的順序停機(jī)，不僅可以起到保護(hù)設(shè)備的作用，還可以在一定程度上減少能源消耗。

結(jié)束語(yǔ)

將設(shè)計(jì)的智能工作面管理系統(tǒng)應(yīng)用于東江煤礦的實(shí)踐中，連續(xù)記錄了一年的實(shí)踐運(yùn)行效果，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。通過(guò)實(shí)踐測(cè)試，發(fā)現(xiàn)目前煤礦設(shè)備的自動(dòng)化程度超過(guò)95%，智能管理系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。位于地面上的管理者可以實(shí)現(xiàn)對(duì)主要開(kāi)采設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)不同開(kāi)采設(shè)備之間的聯(lián)動(dòng)，井下一旦出現(xiàn)安全隱患，就可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的聯(lián)動(dòng)。應(yīng)用智能管理系統(tǒng)后，大大減少了工作面工作人員的數(shù)量和勞動(dòng)強(qiáng)度，顯著提高了礦山的智能化水平，創(chuàng)造了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

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