煤礦綜采設(shè)備綜合控制關(guān)鍵技術(shù)研究

賀 杰

（晉能控股集團(tuán)挖金灣煤業(yè)公司，山西 大同 037003）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源結(jié)構(gòu)在不斷的發(fā)生著改變，但是煤炭作為主要能源，在能源結(jié)構(gòu)中始終占據(jù)著非常重要的地位。我國在煤炭的開采方式上從原先的人力開采逐步發(fā)展到現(xiàn)在的機(jī)械化開采，煤炭的開采速度已經(jīng)得到了明顯的提升[1]。機(jī)械化采煤雖然提高了煤炭開采的速度，但是其仍不能夠滿足現(xiàn)代市場的需求，面臨綜采設(shè)備自動(dòng)化程度低等重要問題，嚴(yán)重制約著煤炭開采效率的提升，同時(shí)也增加了不少的安全隱患?，F(xiàn)階段大部分煤礦企業(yè)的綜采工作面綜采設(shè)備都具備有相應(yīng)的在線監(jiān)測以及實(shí)時(shí)狀態(tài)控制等功能，但是綜采設(shè)備之間沒有實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換以及統(tǒng)一聯(lián)動(dòng)，增加了安全隱患[2]。本文通過對(duì)綜采設(shè)備之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的長期研究，設(shè)計(jì)了一套能夠?qū)崿F(xiàn)綜采設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測和綜合控制的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了井下綜采設(shè)備之間的聯(lián)動(dòng)，提高了綜采設(shè)備之間的協(xié)同能力，有助于提高煤炭開采的效率[3]。

1 綜采設(shè)備綜合控制的整體方案設(shè)計(jì)

綜采工作面的綜合控制系統(tǒng)是將信號(hào)采集技術(shù)、通訊技術(shù)以及智能控制技術(shù)融合于一體的，首先對(duì)綜采設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行采集，將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電流電壓信號(hào)通過數(shù)據(jù)傳遞技術(shù)將其傳遞到工控機(jī)，工控機(jī)在收到相應(yīng)的數(shù)據(jù)信號(hào)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最后下發(fā)相應(yīng)的指令實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)綜采設(shè)備的整體控制。本文是以實(shí)際綜采工作面綜采設(shè)備作為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，為了實(shí)現(xiàn)將所有綜采設(shè)備能夠綜合控制的目的，需要對(duì)其構(gòu)建協(xié)同而又獨(dú)立運(yùn)行的各個(gè)控制平臺(tái)。通過各綜采設(shè)備對(duì)自身的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行獲取，獲取完成后將數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳并分析，在總控器處對(duì)所有綜采工作面的設(shè)備進(jìn)行協(xié)同控制。綜采工作面的綜合控制系統(tǒng)采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分別為設(shè)備層、機(jī)載控制層以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，控制器之間的通訊協(xié)議采用的TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通訊，利用交換機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)機(jī)載控制器的網(wǎng)絡(luò)分配，綜采設(shè)備綜合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 綜采設(shè)備綜合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

綜采設(shè)備層是指對(duì)采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)以及液壓支架等。機(jī)載控制層是指各個(gè)設(shè)備的電控系統(tǒng)、信號(hào)采集裝置和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，并且能夠?qū)?shù)據(jù)信息發(fā)送到機(jī)載控制層。計(jì)算機(jī)控制層是將所有的裝置的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行綜合控制，實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)還要滿足對(duì)數(shù)據(jù)的處理、分析，保證綜采設(shè)備能夠按照采煤工藝進(jìn)行實(shí)際的操作。

2 綜采設(shè)備綜合控制策略

2.1 綜采設(shè)備一鍵啟停及閉鎖保護(hù)

由于現(xiàn)綜采工作面的綜采設(shè)備大都是采用的分散控制，有專人對(duì)其設(shè)備進(jìn)行負(fù)責(zé)，并且各個(gè)操作人員要按照“逆煤流啟動(dòng)、順煤流停止”通過相互喊話來進(jìn)行配合，這就增加了誤操作的可能性。首先是按照順序啟動(dòng)的方式進(jìn)行啟動(dòng)，為了防止采煤機(jī)出現(xiàn)堆煤的情況需要逆著煤流的方向進(jìn)行啟動(dòng)，在啟動(dòng)前需要進(jìn)行報(bào)警預(yù)警需要設(shè)定相應(yīng)的時(shí)間進(jìn)行預(yù)警。本系統(tǒng)設(shè)置的時(shí)間為15s。其次是停機(jī)過程，停機(jī)的過程中要順著煤流進(jìn)行停機(jī)。綜采設(shè)備一鍵啟停的控制流程圖如圖2所示。閉鎖保護(hù)是當(dāng)綜采工作面的綜采設(shè)備發(fā)生故障時(shí)對(duì)其他設(shè)備的保護(hù)，防止其出現(xiàn)故障擴(kuò)散引起更大范圍的故障情況。當(dāng)綜采設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，一般情況下是按照順序進(jìn)行停機(jī)。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)按照“故障設(shè)備順煤流方向全部停機(jī)，逆煤流方向設(shè)備全部急?！?，達(dá)到對(duì)未故障設(shè)備的保護(hù)作用。

圖2 綜采設(shè)備一鍵啟停的控制流程圖

2.2 液壓支架和采煤機(jī)協(xié)同控制

液壓支架作為綜采設(shè)備中的重要的支護(hù)裝備，為采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)提供支護(hù)保護(hù)。一般工作情況下綜采工作面的液壓支架是需要工作人員依照個(gè)人經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行移動(dòng)液壓支架位置的，在采煤機(jī)進(jìn)行截割煤壁時(shí)，同向測得液壓支架要進(jìn)行收回護(hù)幫的動(dòng)作，采煤機(jī)行走反向側(cè)的液壓支架要進(jìn)行移駕、推溜等動(dòng)作。整個(gè)作業(yè)過程中需要多名工作人員之間相互配合才能夠完成。當(dāng)出現(xiàn)配合不恰當(dāng)時(shí)就會(huì)增加出現(xiàn)安全事故的可能性，因此對(duì)液壓支架和采煤機(jī)進(jìn)行協(xié)同控制減少了人為操作帶來的危險(xiǎn)性，同時(shí)提高了工作效率。液壓支架與采煤機(jī)的協(xié)同控制時(shí)通過利用紅外發(fā)射裝置和紅外接收裝置實(shí)現(xiàn)信號(hào)連接的。液壓支架的紅外接收裝置接收采煤機(jī)發(fā)射出的紅外發(fā)射信號(hào)，并將其傳遞到綜采設(shè)備綜合控制系統(tǒng)進(jìn)行分析。綜合控制系統(tǒng)分析其紅外信號(hào)所對(duì)應(yīng)的液壓支架，結(jié)合實(shí)際采煤現(xiàn)場情況，對(duì)對(duì)應(yīng)的液壓支架發(fā)出調(diào)整的動(dòng)作控制指令，實(shí)現(xiàn)液壓支架和采煤機(jī)之間的相互配合工作。

3 系統(tǒng)試驗(yàn)

為了保證綜采設(shè)備綜合控制系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行，對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)測試。液壓支架電液控制系統(tǒng)支持工業(yè)以太網(wǎng)通訊，采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架其系統(tǒng)由西門子PLC進(jìn)行開發(fā)的同樣也支持工業(yè)以太網(wǎng)通訊，因此本此測試?yán)霉I(yè)以太網(wǎng)對(duì)綜采工作面綜合控制系統(tǒng)進(jìn)行測試。系統(tǒng)測試平臺(tái)有：工控機(jī)一臺(tái)；采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)一套；液壓支架電液控制系統(tǒng)一套；以太網(wǎng)交換機(jī)一臺(tái)以及其他附屬工具。主要是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測性能、手動(dòng)控制以及自動(dòng)控制性能。監(jiān)測性能測試是利用信號(hào)發(fā)生器模擬液壓支架的前立柱壓力，向其發(fā)送模擬信號(hào)，對(duì)液壓支架和綜采工作面綜合控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測。經(jīng)過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)液壓支架前立柱壓力為50MPa，在液壓支架電液控制和綜采工作面綜合控制系統(tǒng)都同時(shí)顯示，數(shù)據(jù)也相同說明檢測功能可行。手動(dòng)控制性能的測試是通過電動(dòng)控制對(duì)綜采設(shè)備進(jìn)行控制的，通過對(duì)綜采設(shè)備的采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)以及液壓支架的三機(jī)監(jiān)測，在選定控制方式后對(duì)其進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)控制，采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)以及液壓支架等的按鈕都變綠，說明手動(dòng)控制性能良好。自動(dòng)控制功能的測試通過在選定自動(dòng)控制運(yùn)行模式后，在綜合控制界面按下“一鍵啟動(dòng)”后，觀察其啟動(dòng)順序就能夠發(fā)現(xiàn)其是否正常。經(jīng)過觀察后發(fā)現(xiàn)其在啟動(dòng)的過程中是按照逆向煤流的方向啟動(dòng)的，因此說明綜采設(shè)備綜合控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在測試的過程中通過人為的制造故障，通過系統(tǒng)的預(yù)警情況來判斷系統(tǒng)是否能夠?qū)收线M(jìn)行有效處理。在出現(xiàn)故障情況后，綜采設(shè)備綜合控制系統(tǒng)能夠按照故障點(diǎn)順煤流方向的順序進(jìn)行停止作業(yè)，逆煤流方式進(jìn)行全部急停的操作，在實(shí)際相應(yīng)的過程中停機(jī)和急停速度響應(yīng)迅速，進(jìn)一步地提升了綜采設(shè)備綜合控制系統(tǒng)的安全性和可靠性。

4 總結(jié)

煤炭的開采對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展至關(guān)重要，機(jī)械化開采已經(jīng)成為了現(xiàn)階段煤炭開采的主要方式。采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架等作為綜采工作面的主要設(shè)備，結(jié)合在實(shí)際煤炭生產(chǎn)過程中的需求，設(shè)計(jì)了一套以工控機(jī)為基礎(chǔ)的煤礦井下綜采設(shè)備綜合控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠有效地對(duì)綜采設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控、自動(dòng)控制以及故障報(bào)警等功能。綜采設(shè)備控制系統(tǒng)能夠結(jié)合煤炭開采工藝對(duì)綜采設(shè)備進(jìn)行閉鎖保護(hù)，保證了設(shè)備的安全運(yùn)行和出現(xiàn)故障后對(duì)其他設(shè)備進(jìn)行綜合保護(hù)，有助于提高綜采設(shè)備的開機(jī)率，提高煤炭的開采效率。