龐龐塔煤礦綜采工作面自動化控制系統(tǒng)設(shè)計

賈華龍

（霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 霍州 031400）

0 引 言

煤礦井下生產(chǎn)具有開采條件復(fù)雜、機(jī)電設(shè)備繁多、風(fēng)險隱患難控、運(yùn)輸環(huán)節(jié)較多等一系列特點(diǎn)，而自動化、智能化、少人化是煤礦井下生產(chǎn)的發(fā)展方向，通過綜采工作面自動化控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)減少作業(yè)人員數(shù)量、保證現(xiàn)場安全生產(chǎn)、減少人工工作量、提高回采效率的目的。龐龐塔煤礦為新建千萬噸級現(xiàn)代化礦井，將綜采工作面自動化控制系統(tǒng)應(yīng)用于井下生產(chǎn)可以實(shí)現(xiàn)礦井的安全高效生產(chǎn)。

1 礦井及工作面基本情況

龐龐塔煤礦位于山西省呂梁市臨縣境內(nèi)，井田南北長20 km，東西寬3 km，面積60.731 6 km2。礦井產(chǎn)能10.0 Mt/a，采用斜井拓方式，布置+750 m 和+200 m 2 個開采水平，共劃分15 個采區(qū)。礦井工業(yè)儲量1 103.11 Mt，設(shè)計開采資源量1 009.54 Mt。

5-106 綜采工作面位于一采區(qū)，對5 號煤層進(jìn)行開采，煤層均厚6.26 m，容重1.51 t/m3，工業(yè)牌號為1/3 焦煤。5 號煤層與9 號煤層的層間距范圍為40.90～56.15 m，平均50.63 m。工作面長度220 m，可采長度1 160 m，工作面布置副巷和主巷，其中副巷用于輔運(yùn)和回風(fēng)、主巷用于出煤和進(jìn)風(fēng)。副巷、主巷均采用矩形斷面，巷道寬×高分別為5.0 m×4.1m、5.6 m×4.1 m，均為錨網(wǎng)+錨索的支護(hù)形式。

2 綜采工作面自動化控制系統(tǒng)方案

2.1 自動化控制系統(tǒng)總體目標(biāo)

綜采工作面自動化控制系統(tǒng)基于機(jī)電設(shè)備電液控、語音通訊、泵站和采煤機(jī)定位控制等部分，應(yīng)用工業(yè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，對機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，通過井下現(xiàn)場集中控制和地面遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)對工作面生產(chǎn)過程的控制，并將工作面工業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為自動化控制系統(tǒng)的保障部分，從而實(shí)現(xiàn)綜采工作面生產(chǎn)的自動化、智能化和少人化。

2.2 自動化控制系統(tǒng)總體框架

綜采工作面集中控制系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

圖1 綜采工作面集中控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

綜采工作面自動化控制系統(tǒng)主要包括液壓支架遠(yuǎn)程與協(xié)調(diào)控制、采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制、運(yùn)輸設(shè)備遠(yuǎn)程控制、泵站系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制、工作面順槽監(jiān)控中心和地面監(jiān)控中心等部分，利用工作面順槽監(jiān)控中心和地面監(jiān)控中心可以對綜采工作面的三機(jī)一架、輸送機(jī)、泵站及相關(guān)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、實(shí)時監(jiān)控，便于現(xiàn)場操作人員及時發(fā)現(xiàn)與解除故障，提高井下生產(chǎn)效率。

2.3 自動化控制系統(tǒng)硬件配置

表1 為綜采工作面自動化控制系統(tǒng)硬件配置。

表1 綜采工作面自動化控制系統(tǒng)硬件配置

3 綜采工作面自動化控制系統(tǒng)控制

3.1 液壓支架遠(yuǎn)程與協(xié)調(diào)控制

1） 液壓支架遠(yuǎn)程與協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)配備雙線CAN 接口，通信速率33.3 kbps，并配備遠(yuǎn)程控制接口，遠(yuǎn)控延時≤200 ms。

2）將液壓支架遠(yuǎn)程操作臺布置于工作面順槽監(jiān)控中心，用于對液壓支架遠(yuǎn)程與協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，可實(shí)現(xiàn)單架單動作、成組推溜，成組伸收護(hù)幫、成組伸收伸縮梁等動作，并對液壓支架的自動跟機(jī)功能進(jìn)行遠(yuǎn)程起?？刂?，還可以通過遠(yuǎn)程操作臺的視頻畫面作為生產(chǎn)輔助手段，將順槽監(jiān)控中心與刮板運(yùn)輸機(jī)負(fù)荷關(guān)聯(lián)后，在刮板運(yùn)輸機(jī)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時，可以實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自動閉鎖，控制系統(tǒng)見圖2。

圖2 液壓支架遠(yuǎn)程與協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)圖

3.2 采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制

1）遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)配備雙線CAN、RS485 或RJ45接口，并配備遠(yuǎn)程控制接口，遠(yuǎn)控延時≤300 ms。

2）采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)所采集數(shù)據(jù)包括各臺電機(jī)的電流、溫度、負(fù)荷等，采煤機(jī)牽引速度、位置等，截割滾筒的高度、位置，液壓設(shè)備的壓力、流量等。將采煤機(jī)集控箱布置于工作面順槽監(jiān)控中心，用于對遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，可實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)升降滾筒的升、加減速度、啟動停止等動作，還可以通過遠(yuǎn)程操作臺的視頻畫面作為生產(chǎn)輔助手段，并且配置記憶割煤等智能控制功能，監(jiān)控畫面見圖3。

圖3 采煤機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控畫面

3.3 運(yùn)輸設(shè)備遠(yuǎn)程控制

1）遠(yuǎn)程控制包括工作面運(yùn)輸設(shè)備、順槽皮帶和視頻監(jiān)控3 部分，配備RS485 接口，通訊協(xié)議為MODBUS RTU，可通過工作面順槽控制中心的集控箱對運(yùn)輸設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。傳輸數(shù)據(jù)主要包括運(yùn)輸設(shè)備及其電機(jī)等設(shè)備的溫度、電流、轉(zhuǎn)速等。

2）通過運(yùn)輸設(shè)備遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對刮板運(yùn)輸機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)及膠帶輸送機(jī)的順序遠(yuǎn)程起停控制，各運(yùn)輸設(shè)備啟動順序?yàn)槠渲衅饎禹樞驗(yàn)槟z帶輸送機(jī)-破碎機(jī)-轉(zhuǎn)載機(jī)-刮板運(yùn)輸機(jī)，各運(yùn)輸設(shè)備停止順序?yàn)楣伟暹\(yùn)輸機(jī)-轉(zhuǎn)載機(jī)-破碎機(jī)-膠帶輸送機(jī)，運(yùn)輸設(shè)備遠(yuǎn)程控制通訊系統(tǒng)見圖4。

圖4 運(yùn)輸設(shè)備遠(yuǎn)程控制通訊系統(tǒng)圖

3.4 泵站遠(yuǎn)程控制

1）泵站遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)傳輸功能，通訊協(xié)議MODBUS RTU 或TCP/IP，并配備RS232 接口。

2）通過遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)可以監(jiān)測泵站的溫度、壓力、油位、液位、電磁閥動作等工況，可以遠(yuǎn)程控制泵站系統(tǒng)的單、多設(shè)備的啟停，并將采集到的數(shù)據(jù)顯示到工作面順槽控制中心控制屏上，見圖5。

圖5 泵站遠(yuǎn)程控制通訊系統(tǒng)圖

3.5 地面監(jiān)控中心

1）工作面系統(tǒng)集成及數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)。通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)可將井下工作面各機(jī)電設(shè)備的相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心，不僅可以在地面監(jiān)控中心實(shí)時監(jiān)測各設(shè)備的運(yùn)行情況，還可以在地面監(jiān)控中心對各設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

2）乳化液泵站智能監(jiān)測系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)實(shí)時檢測泵站各傳感器及參數(shù)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測；監(jiān)測泵站主、次編組的控制流程監(jiān)測，以及多級、分級過濾功能的流程監(jiān)測。

3）工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)。將網(wǎng)絡(luò)攝像頭安裝于工作面采煤機(jī)、支架、運(yùn)輸設(shè)備，通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)可將視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心的視頻服務(wù)器當(dāng)中，可以對工作面設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測、查詢回看和視頻儲存，通過外網(wǎng)設(shè)備與視頻服務(wù)器相連還可以實(shí)現(xiàn)外網(wǎng)實(shí)時監(jiān)控。

4 結(jié) 語

自動化、智能化、少人化是煤礦井下生產(chǎn)的發(fā)展方向，整體設(shè)計綜采工作面自動化控制系統(tǒng)方案，并在龐龐塔煤礦5-106 綜采工作面應(yīng)用后，生產(chǎn)班人數(shù)由17 人可減少至12 人，每日2 個生產(chǎn)班組織生產(chǎn)，按每人月平均工資8 000 元進(jìn)行測算，據(jù)此節(jié)省人工成本96 萬元/a；年原煤產(chǎn)量可由841 萬t 提升至920 萬t，原煤噸煤售價按照400 元/t 進(jìn)行測算，多采出的煤炭資源可創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益31 600 萬元/a；以上2 項合計，可多創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益31 696 萬元/a。