綜采工作面智能化系統(tǒng)改進(jìn)技術(shù)研究

李彥輝

(遼寧能源煤電產(chǎn)業(yè)股份有限公司，遼寧 沈陽 110014)

隨著我國煤炭工業(yè)裝備研發(fā)和制造水平的提升，形成了不少以支架電液控技術(shù)、采煤機(jī)自主定位與記憶截割技術(shù)為核心的智能綜采裝備體系。由于煤礦智能開采技術(shù)能夠有效減少工作面的作業(yè)人數(shù)、提高工作面生產(chǎn)效率、改善工人作業(yè)環(huán)境、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，已在全國各大礦業(yè)集團(tuán)掀起了一股智能化改造的熱潮，現(xiàn)全國智能開采工作面已達(dá)300多個(gè)。然而，目前國內(nèi)絕大部分智能開采工作面的地質(zhì)條件相對(duì)簡單，現(xiàn)有智能綜采系統(tǒng)在復(fù)雜地質(zhì)條件下的適用性研究尚未運(yùn)用。沈陽焦煤股份有限公司林盛煤田系晚古生代石炭—二疊系煤田，屬于華北賦煤區(qū)。林盛煤礦經(jīng)過40多a的開采，采場(chǎng)逐步向復(fù)雜條件轉(zhuǎn)移，礦井瓦斯含量高、地壓大、地質(zhì)條件復(fù)雜，實(shí)施智能化開采缺乏現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)借鑒，因此礦井聯(lián)合廠家進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，為復(fù)雜地質(zhì)條件下智能綜采系統(tǒng)在系統(tǒng)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)等方面的持續(xù)改進(jìn)提供了建議和思路。

1 工作面概況

林盛煤礦位于遼寧省沈陽市南部，行政區(qū)劃屬沈陽市蘇家屯區(qū)林盛堡管轄，礦井核定生產(chǎn)能力為110萬t/a。全井田為一不對(duì)稱的傾伏向斜構(gòu)造，其西翼傾角較緩，一般為10～40°，東翼傾角較陡，傾角為20～75°。礦區(qū)可采煤層4層，即7-1、12-1、12-2、13號(hào)煤層。

2 智能綜采系統(tǒng)存在的問題及原因分析

2.1 通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)問題及原因分析

對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及數(shù)據(jù)傳輸帶寬存在的監(jiān)控視頻畫面卡頓和傳感器數(shù)據(jù)阻塞兩個(gè)問題進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1.1 監(jiān)控視頻畫面卡頓

監(jiān)控視頻畫面卡頓主要是因?yàn)楣ぷ髅嬉曨l監(jiān)控帶寬不能完全滿足所有監(jiān)控?cái)z像頭工作需要。目前的井下監(jiān)控系統(tǒng)全部依照百兆局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。

工作面現(xiàn)有攝像頭： 60個(gè)；1 080 P的傳輸碼率：4～5 Mbit/s，60個(gè)攝像頭需要帶寬：240～300 M；720 P的傳輸碼率：2～3 Mbit/s，60個(gè)攝像頭需要帶寬：120～180 M。

可見，百兆帶寬局域網(wǎng)已經(jīng)無法完全滿足順槽集控中心通信網(wǎng)絡(luò)要求，如果未來需求繼續(xù)增加，將百兆網(wǎng)升級(jí)千兆網(wǎng)或萬兆網(wǎng)才可以緩解網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行壓力。

2.1.2 傳感器數(shù)據(jù)阻塞

傳感器數(shù)據(jù)阻塞，通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量下降主要是兩方面的原因造成的：①采用的CAN總線的帶寬所限；②CAN總線通信延遲。

苗族的“交牲”習(xí)俗很特別，舉行葬禮時(shí)有交牲（類似獻(xiàn)飯），安葬之后，幾年里還有交牲。這是家族祭祀，后輩要給死去的叔伯獻(xiàn)上一頭牛，又叫祭“牛王神”。屆時(shí)，要?dú)⑴?，?qǐng)客，相當(dāng)耗費(fèi)財(cái)力。

1) CAN總線帶寬。CAN總線傳輸速率與通信距離的關(guān)系見表1。

表1 CAN總線傳輸速率與通信距離的關(guān)系

每個(gè)支架控制器需要發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)通道為14個(gè)：5個(gè)行程傳感器，3個(gè)壓力傳感器，2個(gè)紅外傳感器、2個(gè)無線傳感器、2個(gè)左右鄰架傳感器。支架間的通信開銷、數(shù)據(jù)校驗(yàn)、握手應(yīng)答等需要每個(gè)支架按30個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)計(jì)算。假定每個(gè)點(diǎn)每秒產(chǎn)生1個(gè)數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)占用2個(gè)字節(jié)，所需通信帶寬為：

30 ×16 × 112 = 53 760 bps = 53.76 kbps

如果進(jìn)一步加上姿態(tài)傳感器或其他類型傳感器，基本上已經(jīng)達(dá)到了CAN總線的極限負(fù)荷。如果將來要進(jìn)一步提高工作面的智能化程度，例如：電磁先導(dǎo)閥的狀態(tài)監(jiān)控和故障預(yù)測(cè)、各類傳感器的故障預(yù)測(cè)等，需要采集大量的電氣數(shù)據(jù)，且采樣頻率必須遠(yuǎn)高于1 Hz，所需的通信帶寬將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過CAN總線所能提供的帶寬。

2) CAN總線通信延遲。信號(hào)隔離耦合器的傳輸延遲，信號(hào)傳輸過程的延遲一般為幾u(yù)s至幾ms。每4個(gè)支架1個(gè)耦合器，共有28個(gè)信號(hào)隔離耦合器。通信延時(shí)不可忽視，可能引發(fā)數(shù)據(jù)阻塞現(xiàn)象。CAN總線沒有主從之分，靠各節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)來決定通信次序，傳輸延遲可能會(huì)導(dǎo)致低優(yōu)先級(jí)的占用數(shù)據(jù)通道，造成數(shù)據(jù)阻塞。

2.2 三機(jī)協(xié)調(diào)控制問題及原因分析

在無人化采煤過程中，會(huì)出現(xiàn)三機(jī)控制不協(xié)調(diào)的問題，輕則影響工作效率，重則造成設(shè)備損毀，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)工作。經(jīng)過對(duì)三機(jī)控制不協(xié)調(diào)現(xiàn)象的分析后，發(fā)現(xiàn)造成這種現(xiàn)象的主要原因是，三機(jī)的控制信息在傳輸時(shí)出現(xiàn)數(shù)據(jù)阻塞和滯后。

三機(jī)協(xié)調(diào)控制主要由井下順槽集控中心來完成。液壓支架采用CAN總線連接，并采用了CAN-以太網(wǎng)服務(wù)器，將CAN總線格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)格式數(shù)據(jù)發(fā)送至井下順槽集控中心，采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)等其他設(shè)備采用RS485總線與485-以太網(wǎng)服務(wù)器連接，485-以太網(wǎng)服務(wù)器再通過以太網(wǎng)與井下順槽集控中心連接。

分析三機(jī)控制信息傳輸時(shí)的數(shù)據(jù)阻塞和滯后，主要受到兩方面因素限制。一方面，采用CAN-以太網(wǎng)服務(wù)器和RS485-以太網(wǎng)服務(wù)器會(huì)在信息轉(zhuǎn)換過程中不可避免地增加一部分網(wǎng)絡(luò)延遲，造成控制指令傳輸?shù)倪t緩；另一方面，采用以太網(wǎng)來傳輸實(shí)時(shí)控制指令，有一定先天劣勢(shì)，以太網(wǎng)絡(luò)是一種通信“非確定性”網(wǎng)絡(luò)，不能同時(shí)滿足實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、可靠性、安全性要求。

2.3 采煤機(jī)定位問題及原因分析

采煤機(jī)的精確定位作為智能化工作面長時(shí)間無人化工作的基礎(chǔ)，經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐的檢驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)會(huì)出現(xiàn)采煤機(jī)定位不準(zhǔn)確，跳架的現(xiàn)象，影響正常生產(chǎn)工作，影響三機(jī)的協(xié)調(diào)控制。

智能化工作面采用了采煤機(jī)編碼器為主定位裝置，支架傳感器作為校核的定位方式。但在使用紅外傳感器時(shí)，需要盡可能保證紅外接送器和紅外發(fā)射器處于同一水平面，保證紅外線的接收效果。若二者高度差過大，會(huì)出現(xiàn)跳架的現(xiàn)象，所以紅外傳感器使用條件對(duì)于工作面底板的平整度有著較高的要求。采煤機(jī)牽引機(jī)構(gòu)在牽引過程中，可能會(huì)受到地形或機(jī)械磨損等影響，出現(xiàn)打滑或者空轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，造成編碼器計(jì)數(shù)增大，另外在采煤機(jī)運(yùn)行過程中，編碼器也會(huì)不斷累計(jì)誤差，都會(huì)造成采煤機(jī)定位出現(xiàn)偏移。

3 智能綜采系統(tǒng)改進(jìn)措施

3.1 電液控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)化

針對(duì)井下工作面視頻畫面卡頓和CAN總線數(shù)據(jù)阻塞兩個(gè)問題，提出了改進(jìn)方案，進(jìn)一步提高電液控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

現(xiàn)有使用的電液控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案和改進(jìn)后的電液控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案如圖1和圖2所示。針對(duì)視頻卡頓問題，在改進(jìn)方案中建議使用千兆工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行視頻監(jiān)控信息的傳輸，千兆工業(yè)以太網(wǎng)理論最大傳輸速度為125 MB/s，可以更好地滿足現(xiàn)有工作面監(jiān)控?cái)z像頭的數(shù)據(jù)傳輸需求，也可以為今后增加監(jiān)控?cái)z像頭提供預(yù)留接口和帶寬。利用工業(yè)以太網(wǎng)代替現(xiàn)有的CAN總線，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架的控制和監(jiān)視。

圖3對(duì)電液控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的改進(jìn)方案進(jìn)行進(jìn)一步說明。采用鏈?zhǔn)竭B接的電液控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)，增加了智能網(wǎng)關(guān)和兩個(gè)頻段的無線AP，智能網(wǎng)關(guān)專門針對(duì)液壓支架移架時(shí)出現(xiàn)的通信短線問題，采用有線傳輸和無線傳輸兩種數(shù)據(jù)傳輸方式，并且增加了備用電池，用于維持通信暢通。

圖1 電液控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)原方案示意

圖2 電液控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)改進(jìn)方案示意

正常工作，即沒有出現(xiàn)線路短路時(shí)，只采用有限傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；在出現(xiàn)線路短路時(shí)，智能網(wǎng)關(guān)可以立即切換至無線傳輸方式，保證數(shù)據(jù)正常傳輸，并且在集控中心提示出現(xiàn)線路短路的位置，便于維修。現(xiàn)有2.4G頻段的WIFI帶寬主要為150 M、300 M和450 M等，完全滿足傳輸液壓支架控制指令和監(jiān)控信息的要求，而5G頻段的WIFI帶寬可以達(dá)到千兆以上，可以達(dá)到視頻信息的要求。

圖3 電液控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)改進(jìn)方案示意

3.2 三機(jī)協(xié)調(diào)及采煤機(jī)的精準(zhǔn)定位

采煤機(jī)的精準(zhǔn)定位是三機(jī)協(xié)調(diào)控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采煤機(jī)的精準(zhǔn)坐標(biāo)，可以為刮板輸送機(jī)的拉直和液壓支架的移架提供準(zhǔn)確的參考。現(xiàn)有的采煤機(jī)定位方案是智能化工作面采用采煤機(jī)編碼器為主定位裝置，支架傳感器作為校核。針對(duì)前述分析中指出現(xiàn)有方案的不足，提出一些改進(jìn)建議。

用于采煤機(jī)定位的紅外傳感器只測(cè)量采煤機(jī)運(yùn)行至第幾個(gè)液壓支架，并沒有準(zhǔn)確地測(cè)量采煤機(jī)的精確位置，并且對(duì)于采煤機(jī)和液壓支架的相對(duì)位置差也有很高的要求，所以，需要采用無線傳感器代替紅外傳感器。作為采煤機(jī)定位的輔助方法，可以分別在采煤機(jī)和液壓支架上安裝無線傳感器，并且在排頭位置安裝1個(gè)作為基準(zhǔn)的無線傳感器。不同的無線傳感器依次與采煤機(jī)進(jìn)行通信，標(biāo)定采煤機(jī)相對(duì)于液壓支架的位置坐標(biāo)，而不是采煤機(jī)的大致位置。另外，無線傳感器對(duì)于采煤機(jī)和液壓支架的相對(duì)位置差沒有限制要求，相較于紅外傳感器，應(yīng)用時(shí)更加方便。

作為采煤機(jī)主定位裝置的編碼器存在誤差累計(jì)，影響采煤機(jī)的定位準(zhǔn)確性，可以在單個(gè)編碼器的基礎(chǔ)上加入多個(gè)編碼器，提供信息的冗余，通過融合算法修正單個(gè)編碼器的誤差。另外，為了避免牽引輪打滑，其編碼器出現(xiàn)空轉(zhuǎn)現(xiàn)象，造成采煤機(jī)定位不準(zhǔn)確，可以為采煤機(jī)增加從動(dòng)輪。從動(dòng)輪不為采煤機(jī)提供動(dòng)力，不會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，利用編碼器記錄其運(yùn)動(dòng)過程，提高采煤機(jī)定位準(zhǔn)確性。采煤機(jī)傳感器布置示意如圖4所示。

圖4 采煤機(jī)傳感器布置示意

圖5 組合導(dǎo)航基本框架

現(xiàn)有的采煤機(jī)定位方式有很多種，相較于紅外傳感器和編碼器組合的定位方式，還可以采用多種傳感器組合的定位方式，例如可以加入慣性傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)、編碼器和攝像頭。組合導(dǎo)航基本框架如圖5所示。其中，慣性測(cè)量單元可以用于測(cè)量采煤機(jī)在工作面的三維坐標(biāo)和自身姿態(tài)信息；編碼器可以用于測(cè)量采煤機(jī)行進(jìn)的里程和行進(jìn)的方向；攝像機(jī)可以采用帶有景深信息的深度相機(jī)；無線網(wǎng)絡(luò)可以采用UWB網(wǎng)絡(luò)測(cè)定采煤機(jī)的三維絕對(duì)坐標(biāo)，周期性地對(duì)采煤機(jī)的位置信息進(jìn)行修正。多種傳感器組合的定位方式可以進(jìn)一步提高采煤機(jī)定位精度，而精確的采煤機(jī)軌跡坐標(biāo)也可以為刮板輸送機(jī)拉直和液壓支架移架提供基準(zhǔn)。

4 結(jié) 語

林盛煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，實(shí)施智能開采缺乏成熟的經(jīng)驗(yàn)借鑒，通過礦井與廠家協(xié)同攻關(guān)，對(duì)智能綜采系統(tǒng)在林盛煤礦復(fù)雜地質(zhì)條件下的適用性升級(jí)改造做了大量工作，針對(duì)井下工作面視頻畫面卡頓和CAN總線數(shù)據(jù)阻塞兩個(gè)問題，提出了使用千兆工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行視頻監(jiān)控信息傳輸?shù)恼拇胧槍?duì)三機(jī)協(xié)調(diào)及采煤機(jī)定位問題，提出了基于采煤機(jī)編碼器和支架紅外傳感器的融合定位算法，將原有的最大誤差2 m以上降低到了0.15 m以下，保證了工作面正常運(yùn)轉(zhuǎn)。該智能綜采系統(tǒng)很好地適應(yīng)了林盛煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜的特點(diǎn)，為提升礦井的生產(chǎn)效率和安全生產(chǎn)水平起到了至關(guān)重要的作用，對(duì)全國復(fù)雜地質(zhì)條件礦井的智能開采有重要的借鑒意義。