綜采工作面信息化集控系統(tǒng)在平朔礦區(qū)的應(yīng)用

孫 健

（中煤平朔集團(tuán) 設(shè)備管理租賃中心，山西 朔州 036006）

煤礦綜采工作面是煤礦生產(chǎn)的最前沿，也是最復(fù)雜的采煤終端環(huán)節(jié)。機(jī)械化采煤是規(guī)模化生產(chǎn)的基礎(chǔ)，信息智能化采煤則是大型機(jī)械化生產(chǎn)的核心。由于設(shè)備數(shù)量多，設(shè)備之間相互依賴，相互制約形成串聯(lián)運(yùn)行的生產(chǎn)系統(tǒng)，開(kāi)機(jī)率已成為煤礦規(guī)?；a(chǎn)的唯一指標(biāo)。煤礦綜合機(jī)械化采煤的自動(dòng)化程度對(duì)信息化技術(shù)的依賴性逐步提升，工業(yè)化與信息化的融合已成為煤礦機(jī)械化采煤發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。

1 信息系統(tǒng)總體構(gòu)架

綜采設(shè)備單臺(tái)的自動(dòng)化運(yùn)行依托現(xiàn)場(chǎng)總線即可完成，但多臺(tái)設(shè)備協(xié)同運(yùn)行實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能控制對(duì)通信的實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)吞吐量、通信速率、可靠性等要求很高，單靠現(xiàn)場(chǎng)總線控制已無(wú)法滿足綜采多臺(tái)設(shè)備智能聯(lián)動(dòng)的通信要求，高速以太網(wǎng)絡(luò)接入現(xiàn)場(chǎng)總線控制才能解決煤礦信息化數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i問(wèn)題[2]。

1.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

綜采工作面信息化集成控制系統(tǒng)通過(guò)設(shè)備層、控制層和信息層3 層網(wǎng)絡(luò)架實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的基礎(chǔ)構(gòu)架。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

1）信息層。以傳輸數(shù)據(jù)為主要功能，利用Web信息數(shù)據(jù)把綜采工作面設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)發(fā)布到單位局域網(wǎng)內(nèi)，通過(guò)各個(gè)終端設(shè)備及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)等相關(guān)信息，便于對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行分析判斷并進(jìn)行下一步的生產(chǎn)管理。

2）控制層?？刂茖又饕δ転橥ㄟ^(guò)采集并顯示現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行信息，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的控制?？刂茖佑蓛膳_(tái)互為備用的礦用計(jì)算機(jī)組成，與現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備的通訊連接采用Modbus 通訊協(xié)議，與其他自動(dòng)化系統(tǒng)通過(guò)TCP/IP 協(xié)議相連。通過(guò)控制層設(shè)備的計(jì)算機(jī)可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的位置信息、運(yùn)行參數(shù)等對(duì)設(shè)備進(jìn)行部分啟?？刂?。

3）設(shè)備層?，F(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備以現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)為主，設(shè)備的智能控制以現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)，各設(shè)備與主計(jì)算機(jī)之間通過(guò)Modbus 通訊協(xié)議連接，形成以通訊數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)為主要功能，實(shí)現(xiàn)部分設(shè)備遠(yuǎn)程啟停為輔助功能的現(xiàn)場(chǎng)總線監(jiān)控系統(tǒng)。

1.2 基本流程

集成控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)主站中的Modbus Slave 站通過(guò)軟件模擬實(shí)現(xiàn)，通過(guò)Modbus 通訊協(xié)議按照不同的Slave 站的級(jí)別輪巡檢測(cè)各子系統(tǒng)的Modbus Slave站及時(shí)更新的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，并通過(guò)組態(tài)圖形表示采集到的各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

2 綜采工作面信息化集成控制系統(tǒng)升級(jí)改造

綜采工作面信息化集成控制系統(tǒng)改造是在綜合機(jī)械化采煤工藝的基礎(chǔ)需求上實(shí)現(xiàn)減人增效的安全生產(chǎn)。通過(guò)機(jī)械化采煤工藝，利用自動(dòng)化、傳感、通訊，圖像處理等一些列技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息化和工業(yè)化的融合提升的傳感網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)綜采設(shè)備的監(jiān)控、判斷分析及一定程度的電氣和通訊控制功能，在綜采工作面機(jī)械化設(shè)備的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)減人增效[3-7]。綜采工作面電氣負(fù)荷系統(tǒng)如圖2。

圖2 綜采工作面電氣負(fù)荷系統(tǒng)圖

2.1 采煤機(jī)控制系統(tǒng)升級(jí)完善

采煤機(jī)通過(guò)冗余動(dòng)力線調(diào)制解調(diào)器和光纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。采煤機(jī)拖曳電纜和動(dòng)力線耦合器連接。耦合器濾出高壓信號(hào)，收集采煤機(jī)的高壓頻譜信號(hào)，帶有采煤機(jī)信息的信號(hào)傳輸?shù)皆鲆婵烧{(diào)的電氣隔離模塊。通過(guò)隔離模塊把信號(hào)傳輸?shù)絼?dòng)力線調(diào)制調(diào)節(jié)器，然后解調(diào)擴(kuò)展頻譜信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電流環(huán)串行數(shù)據(jù)流信號(hào)。電流環(huán)信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS232 后傳送到多模光纖轉(zhuǎn)換器，在進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸后再轉(zhuǎn)換為電流環(huán)信號(hào)進(jìn)入采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制器。采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制器和控制臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸采用TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

現(xiàn)有的艾柯夫SL750 采煤機(jī)只能實(shí)現(xiàn)就地跟機(jī)遙控，為滿足集控系統(tǒng)要求，需要改造現(xiàn)有采煤機(jī)，增加實(shí)現(xiàn)從進(jìn)風(fēng)巷監(jiān)控采煤機(jī)自動(dòng)運(yùn)行所需的整套改造件、4 個(gè)攝像頭和1 個(gè)遠(yuǎn)程控制臺(tái)。通過(guò)軸編碼器和液壓支架紅外接受器實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)位置定位。

2.2 支架電液控系統(tǒng)完善

現(xiàn)有的支架全部配備電液控制器，需要將現(xiàn)有的控制器進(jìn)行維修完善，確保電液控主機(jī)、支架電液控制器、立柱壓力傳感器、推移行程傳感器及采煤機(jī)定位紅外對(duì)射器完好。采煤機(jī)在運(yùn)行割煤的過(guò)程中即能實(shí)現(xiàn)支架和采煤機(jī)最基本的跟機(jī)聯(lián)動(dòng)功能，也能實(shí)現(xiàn)液壓支架的遠(yuǎn)程操作和參數(shù)修改，同時(shí)還確保采煤機(jī)不與支架的護(hù)幫板、側(cè)護(hù)板等保護(hù)機(jī)構(gòu)發(fā)生碰撞，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)與液壓支架的聯(lián)動(dòng)和互動(dòng)作業(yè)。

2.3 工作面三機(jī)保護(hù)系統(tǒng)完善

控制臺(tái)主機(jī)與工作面三機(jī)負(fù)荷設(shè)備通過(guò)Modbus 方式進(jìn)行通信實(shí)現(xiàn)刮板運(yùn)輸機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)的聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)；同時(shí)通過(guò)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)三機(jī)設(shè)備的電動(dòng)機(jī)和減速器的運(yùn)行參數(shù)，根據(jù)運(yùn)行參數(shù)實(shí)現(xiàn)報(bào)警保護(hù)和停機(jī)保護(hù)，在刮板運(yùn)輸機(jī)和轉(zhuǎn)載機(jī)驅(qū)動(dòng)方式上采用變頻驅(qū)動(dòng)方式，既減少了傳統(tǒng)配置的組合開(kāi)關(guān)數(shù)量，又能發(fā)揮變頻驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，減少三機(jī)的重載開(kāi)機(jī)瞬間的較大沖擊力和運(yùn)行期間因矸石卡堵造成的機(jī)械磨損。綜采操作控制臺(tái)通過(guò)RS485 通訊讀取變頻器的動(dòng)態(tài)參數(shù)信息，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)觀測(cè)三機(jī)和采煤機(jī)的電流、電壓等運(yùn)行參數(shù)，根據(jù)電流參數(shù)可以動(dòng)態(tài)調(diào)整刮板運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)輸速度，實(shí)現(xiàn)工作面三機(jī)根據(jù)電流參數(shù)可調(diào)整運(yùn)輸機(jī)速度的完善保護(hù)。

2.4 視頻-供電-通信系統(tǒng)完善

在原綜采工作面視頻監(jiān)控的基礎(chǔ)上，采煤機(jī)左右搖臂處增加1 套監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)工作面和采煤機(jī)實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)采集的視頻圖像進(jìn)行智能實(shí)時(shí)拼接，實(shí)現(xiàn)綜采工作面視頻全覆蓋。

主控制器與各類電氣負(fù)荷開(kāi)關(guān)通過(guò)集中控制，實(shí)現(xiàn)電氣系統(tǒng)電壓、電流、絕緣阻值、溫度、運(yùn)行時(shí)間等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

綜采工作面各類生產(chǎn)及輔助設(shè)備的數(shù)據(jù)通過(guò)井下數(shù)據(jù)交換主機(jī)將數(shù)據(jù)傳輸至井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)內(nèi)，再通過(guò)礦井環(huán)網(wǎng)上傳到地面調(diào)度室內(nèi)集中顯示，顯示畫面與井下集控中心一致，同時(shí)能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件啟動(dòng)地面遠(yuǎn)程控制功能，控制功能需在安全前提下進(jìn)行。另能夠在地面對(duì)井下設(shè)備以及集成控制系統(tǒng)進(jìn)行軟件升級(jí)和參數(shù)設(shè)置，通過(guò)地面系統(tǒng)向井下系統(tǒng)發(fā)布參數(shù)命令，井下順槽集控系統(tǒng)記錄后并存儲(chǔ)，之后的生產(chǎn)過(guò)程將使用新的軟件參數(shù)運(yùn)行。

3 技術(shù)難題和發(fā)展方向及應(yīng)用前景

3.1 技術(shù)難題

1）缺乏統(tǒng)一的通信平臺(tái)。煤礦高速以太環(huán)網(wǎng)已成熟并普及應(yīng)用，設(shè)備運(yùn)行的參數(shù)信息如何分析處理并做下一步的預(yù)判卻停留在宏觀層面，沒(méi)有針對(duì)的分析處理功能，而環(huán)網(wǎng)的帶寬大多被視頻信息等數(shù)據(jù)量大的數(shù)據(jù)占用，對(duì)設(shè)備的智能化運(yùn)行并沒(méi)有指導(dǎo)作用。在通訊信息和現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)之間還做不到無(wú)縫對(duì)接。各系統(tǒng)間的相互協(xié)調(diào)仍需提高[7-8]。綜采工作面信息化集成控制系統(tǒng)通過(guò)信息化的帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)了信息化和工業(yè)化的初步融合，“兩化融合”后的數(shù)據(jù)處理技術(shù)對(duì)綜采生產(chǎn)工藝的優(yōu)化提升目前還處于探索階段。

2）綜采生產(chǎn)的過(guò)程控制還不能實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)，只能做到部分設(shè)備的簡(jiǎn)單啟停功能。還不能實(shí)現(xiàn)綜采工作面自動(dòng)找直、存在上竄下滑、運(yùn)輸機(jī)與轉(zhuǎn)載機(jī)的搭接分離等需要解決的問(wèn)題[9]。

3.2 技術(shù)發(fā)展方向

綜采工作面信息化與集成是綜采工作面實(shí)現(xiàn)機(jī)械化采煤的一個(gè)全面的總結(jié)，采煤的發(fā)展將向智能化走近，通信技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)的結(jié)合是采煤智能化的趨勢(shì)，采煤關(guān)鍵技術(shù)的突破、新技術(shù)的應(yīng)用將為綜采工作面的智能化提供相應(yīng)的解決方案。

1）綜采工作面設(shè)備之間應(yīng)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，研究動(dòng)態(tài)適時(shí)跟蹤的綜合視頻平臺(tái)及相應(yīng)的圖形處理技術(shù)，把生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)設(shè)備運(yùn)行狀況作為研究對(duì)象，對(duì)綜采工作面信息化集成系統(tǒng)采集的設(shè)備參數(shù)信息進(jìn)行處理分析判斷，提供遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)控制的執(zhí)行依據(jù)。

2）圍繞開(kāi)采工藝流程及生產(chǎn)過(guò)程建立動(dòng)態(tài)生產(chǎn)模型，通過(guò)生產(chǎn)過(guò)程動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)管理和分析實(shí)現(xiàn)智能割煤過(guò)程的三維定位和動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)綜采工作面的直線度控制和水平控制。

3.3 應(yīng)用前景

隨著煤機(jī)裝備的迅速發(fā)展，機(jī)械化采煤的信息化程度逐步提高，綜采工作面信息化集成與控制系統(tǒng)的推廣應(yīng)用能夠改善采掘工作面惡劣環(huán)境，解決井下用工多，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，能源浪費(fèi)嚴(yán)重、資源回采率低，浪費(fèi)大，以及安全隱患多等問(wèn)題。綜采工作面信息化集控系統(tǒng)指通過(guò)主機(jī)設(shè)備進(jìn)行顯示和控制通過(guò)實(shí)時(shí)傳輸設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的綜采工作面生產(chǎn)設(shè)備和其他輔助設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)信息化及工業(yè)化的融合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)由信息化帶動(dòng)工業(yè)化并向綜采工作面智能化發(fā)展提供基礎(chǔ)參考。

5 結(jié)語(yǔ)

綜采工作面信息化集控系統(tǒng)是利用信息技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)及時(shí)準(zhǔn)確地反饋問(wèn)題，對(duì)信息化和工業(yè)化的深度融合奠定了底層信息基礎(chǔ)，為綜采工作面少人化開(kāi)采提供了最基礎(chǔ)可靠的參考，綜采工作面智能化開(kāi)采技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)物，是保障工作面安全開(kāi)采的有效途徑。綜采工作面集控是世界前沿的新興技術(shù)，該技術(shù)具備的可靠性、先進(jìn)性、穩(wěn)定性、實(shí)用性逐步使綜采設(shè)備實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的配合充分發(fā)揮智能設(shè)備的性能。