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

郝立光，劉召勇

（山西東江煤業(yè)集團(tuán)有限公司，山西 呂梁 033200）

1 概 況

東江煤礦正在開采的8 號(hào)煤層，煤層厚度2.1～8.1 m，平均4.76 m，煤層的傾角3°～9°，平均5°。東江煤礦綜采工作面使用的采煤設(shè)備及其配套設(shè)備數(shù)量和種類眾多，主要包括采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、皮帶輸送機(jī)、水泵等，這些設(shè)備的控制比較分散，設(shè)備的管理和控制質(zhì)量與效率都偏低，導(dǎo)致工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、采煤效率低等，制約了煤礦企業(yè)的發(fā)展。基于此，東江煤礦擬采用先進(jìn)的智能化技術(shù)對(duì)工作面中使用的設(shè)備以及整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行管理。

2 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。

圖1 工作面智能化管理系統(tǒng)整體方案Fig. 1 Overall scheme of intelligent management system of working face

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了2 km，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0.5 s 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，選用西門子公司研制生產(chǎn)的S7- 1200 型PLC 控制器，性能滿足要求。

3 智能化管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 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。高清攝像頭可以采集礦井下的視頻信息，并利用工業(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。本案例中使用的都是云臺(tái)攝像儀，此類設(shè)備不僅具備良好的防爆性能，還可實(shí)現(xiàn)角度切換，在水平方向上可以旋轉(zhuǎn)180°，在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)過程等，達(dá)到智能化監(jiān)控與管理的目的。

3.2 液壓支架電液控制技術(shù)

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)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)可以對(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故障問題，系統(tǒng)可以快速確定故障位置及類型，同時(shí)向外發(fā)出聲音警報(bào)。如果故障問題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)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，也可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制。液壓支架電液控制技術(shù)原理如圖2所示。

圖2 液壓支架電液控制技術(shù)原理Fig. 2 Principle of electro- hydraulic control technology for hydraulic support

3.3 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)采煤機(jī)的智能化管理控制。所述的8號(hào)煤層工作面使用的采煤機(jī)，設(shè)備的前滾筒和后滾筒分別對(duì)工作面頂煤和低煤進(jìn)行切割開采，設(shè)備具備有22 象限記憶切割功能，運(yùn)行過程中產(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人工的方式進(jìn)行控制。

3.4 裝備順序停機(jī)控制技術(shù)

當(dāng)綜采工作面停止煤礦開采工作時(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)，達(dá)到保護(hù)采煤設(shè)備以及井下供電網(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。智能化管理系統(tǒng)啟動(dòng)順序停機(jī)程序，首先對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行停機(jī)處理，確保在源頭上沒有煤礦物料產(chǎn)生，再對(duì)刮板輸送機(jī)的運(yùn)行電流進(jìn)行檢測(cè)，判斷刮板輸送機(jī)上無載荷后，依次對(duì)轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、皮帶輸送機(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)，停止運(yùn)行。裝備順序停機(jī)控制基本流程如圖3 所示。

圖3 裝備順序停機(jī)控制基本流程Fig. 3 Basic flowof equipment sequence stop control

4 結(jié) 語

將設(shè)計(jì)的工作面智能化管理系統(tǒng)應(yīng)用到東江煤礦開采實(shí)踐中，并對(duì)實(shí)踐運(yùn)行效果進(jìn)行了連續(xù)1 a記錄，驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。經(jīng)過實(shí)踐測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前該煤礦采煤設(shè)備的自動(dòng)化程度超過了95%，智能化管理系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)具有很好的穩(wěn)定性和可靠性。位于地面的管理人員可以實(shí)現(xiàn)井下主要采煤設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)不同采煤設(shè)備之間的聯(lián)動(dòng)，井下一旦出現(xiàn)安全隱患，設(shè)備之間可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)閉鎖。在應(yīng)用智能化管理系統(tǒng)后，工作面工作人員數(shù)量和勞動(dòng)強(qiáng)度大幅降低，顯著提升了礦井的智能化水平，創(chuàng)造了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。