采煤工作面綜合自動(dòng)化系統(tǒng)研究

杜 偉

（汾西礦業(yè)新產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限責(zé)任公司綜合修配廠， 山西 介休 032000）

引言

采煤工作面煤炭開(kāi)采主要通過(guò)采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)等設(shè)備相互配合實(shí)現(xiàn)，提高采煤工作面開(kāi)采設(shè)備綜合自動(dòng)化水平，對(duì)提升煤炭開(kāi)采效率、安全保障能力等均有顯著的促進(jìn)意義[1-3]?，F(xiàn)階段礦井采煤工作面綜采設(shè)備控制存在功能不完備、不同設(shè)備間聯(lián)動(dòng)需要手動(dòng)控制等問(wèn)題，無(wú)法滿足煤炭高效生產(chǎn)需要[4-5]。為此，文中以山西某礦20305 綜采工作面煤炭開(kāi)采為工程背景，依據(jù)采面實(shí)際情況對(duì)工作面綜合自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行研究，以期能在一定程度上提升采面煤炭生產(chǎn)效率。

1 20305 綜采工作面工程概況

山西某礦20305 綜采工作面回采3 號(hào)煤層，煤層厚度3.5 m、埋深350 m、傾角6°，采面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)280 m、推進(jìn)距離1 105 m，開(kāi)采范圍內(nèi)煤層賦存條件較好，回采巷道掘進(jìn)以及物探探測(cè)均未發(fā)現(xiàn)有對(duì)生產(chǎn)影響較為明顯的褶曲、斷層等地質(zhì)構(gòu)造，具體采面開(kāi)采設(shè)備配備情況見(jiàn)表1 所示。3 號(hào)煤層頂板為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，質(zhì)地堅(jiān)硬，局部發(fā)育層理發(fā)育；底板黏土巖強(qiáng)度及承載能力較低，遇水容易膨脹。

表1 采面綜采設(shè)備配備情況

為提升礦井煤炭綜合開(kāi)采效率，改善采面作業(yè)人員工作環(huán)境質(zhì)量并降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提出在20305綜采工作面回采期間采用綜合自動(dòng)化控制技術(shù)，以期通過(guò)該技術(shù)實(shí)現(xiàn)綜采設(shè)備的自動(dòng)化控制。文中就對(duì)采面使用的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2 自動(dòng)化控制系統(tǒng)方案

2.1 綜采設(shè)備運(yùn)行分析

20305 綜采工作面內(nèi)綜采設(shè)備主要由采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、破碎機(jī)以及帶式輸送機(jī)等構(gòu)成，其中采煤機(jī)、液壓支架以及刮板輸送機(jī)等是煤炭開(kāi)采的核心設(shè)備。20305 綜采工作面使用的MG500/1180WD 由截割部、牽引部、電氣裝置以及輔助裝置等構(gòu)成。

采煤機(jī)在刮板輸送機(jī)導(dǎo)軌上運(yùn)行，并通過(guò)電機(jī)牽引機(jī)構(gòu)提供運(yùn)行動(dòng)力，利用前后截割滾筒割煤，并調(diào)整滾筒截割高度、采煤機(jī)形式方向等實(shí)現(xiàn)采面煤炭截割。液壓支架用以支撐采面頂板，同時(shí)推移刮板輸送機(jī)。具體綜采設(shè)備運(yùn)行見(jiàn)圖1 所示。

圖1 綜采設(shè)備運(yùn)行示意圖

2.2 自動(dòng)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自動(dòng)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括巷道監(jiān)控中心、地面遠(yuǎn)程監(jiān)控中心以及設(shè)備控制層等[6-7]。巷道監(jiān)控中心用以井下調(diào)度指揮，實(shí)現(xiàn)采面內(nèi)視頻監(jiān)控、綜采設(shè)備控制參數(shù)調(diào)整，并依據(jù)采面現(xiàn)場(chǎng)情況向“三機(jī)”控制器發(fā)出指令，調(diào)整“三機(jī)”運(yùn)行狀態(tài)；巷道監(jiān)控中心配備有隔爆電源、支架控制器以及三機(jī)控制器。綜采設(shè)備控制層包括采煤機(jī)、液壓支架以及刮板輸送機(jī)等控制系統(tǒng)，按照“三機(jī)”控制器發(fā)出指令完成動(dòng)作控制。具體采面自動(dòng)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2 所示。

圖2 采面自動(dòng)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

自動(dòng)化控制系統(tǒng)應(yīng)用目的是解決綜采工作面“三機(jī)”協(xié)同控制問(wèn)題，具體功能為：

1）采煤機(jī)在割煤前按照預(yù)先設(shè)定順序依次啟動(dòng)刮板輸送機(jī)、噴霧降塵裝置，采煤結(jié)束后依次關(guān)閉各設(shè)備運(yùn)行；

2）控制系統(tǒng)采集采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、位置以及速度等信號(hào)，并自動(dòng)實(shí)現(xiàn)液壓支架前移、推溜等工作；

3）監(jiān)測(cè)刮板輸送機(jī)負(fù)載，控制采煤機(jī)推移速度，確保刮板輸送機(jī)負(fù)載在合理范圍內(nèi)；

4）自動(dòng)化控制系統(tǒng)可采用傳感器實(shí)時(shí)采集“三機(jī)”運(yùn)行參數(shù)，并傳輸?shù)缴衔粰C(jī)存儲(chǔ)、顯示。自動(dòng)化控制系統(tǒng)中巷道監(jiān)控中心采用現(xiàn)場(chǎng)總線方式與“三機(jī)”控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，“三機(jī)”控制器則通過(guò)RS485串口通信方式連接各個(gè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間信息傳輸。

2.3 自動(dòng)化控制技術(shù)

采面自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用的技術(shù)方案見(jiàn)圖3 所示?！叭龣C(jī)”控制器根據(jù)采煤機(jī)位置信號(hào)向液壓支架控制器發(fā)出指令，實(shí)現(xiàn)液壓支架前移自動(dòng)控制。液壓支架控制器間采用總線組網(wǎng)，與驅(qū)動(dòng)器、電源以及傳感器等相互配合組成液壓支架控制系統(tǒng)，采用的傳感器主要包括位移傳感器、壓力傳感器；刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)包括液力耦合器；電機(jī)、運(yùn)輸結(jié)構(gòu)以及減速器等，在運(yùn)行過(guò)程中可通過(guò)監(jiān)測(cè)工作電流預(yù)測(cè)刮板輸送機(jī)負(fù)載，在確保刮板輸送機(jī)可靠運(yùn)行前提下充分發(fā)揮刮板輸送機(jī)運(yùn)載能力。

圖3 自動(dòng)化控制系統(tǒng)運(yùn)行控制技術(shù)框圖

3 自動(dòng)化控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3.1 “三機(jī)”控制器

“三機(jī)”控制器是綜采工作面自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的核心組成設(shè)備，負(fù)責(zé)“三機(jī)”運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)以及協(xié)同控制?！叭龣C(jī)”控制器對(duì)接收到的采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)以及液壓支架等運(yùn)行參數(shù)，并依據(jù)采煤機(jī)速度、位置等向液壓支架控制器發(fā)出指令，“三機(jī)”控制器需要向各設(shè)備發(fā)出動(dòng)作指令，因此對(duì)通信接口模塊可靠性以及功能要求較高。

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要，在20305 綜采工作面自動(dòng)化控制系統(tǒng)中選用的“三機(jī)”控制器為S7-300PLC，該設(shè)備CUP 型號(hào)為CPU317-2PN/DP，具備有各模擬量輸入、輸出模塊，供電采用24 V 開(kāi)關(guān)電源。S7-300PLC 運(yùn)行計(jì)算速度控制在1 μs，隨機(jī)有DP 接口，便于采煤機(jī)、液壓支架以及刮板輸送機(jī)等控制系統(tǒng)組網(wǎng)通信。

3.2 傳感器

在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中需要對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行速度、位置等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，具體可通過(guò)在減速器上安裝編碼器（HEDS-5540）實(shí)現(xiàn)，編碼器額定工作電壓5 V、防塵能力5G、每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)500，可滿足采煤機(jī)監(jiān)控需求。

液壓支架采用SLM211 壓力傳感器監(jiān)測(cè)立柱壓力，測(cè)定范圍0～80 MPa；液壓支架行程監(jiān)測(cè)采用GUD960 傳感器，最大監(jiān)測(cè)行程960 mm。刮板輸送機(jī)工作電流監(jiān)測(cè)采用CLD200 傳感器，測(cè)量誤差控制在±0.2%（FS）。

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)現(xiàn)綜采工作面內(nèi)主要開(kāi)采設(shè)備的綜合自動(dòng)化控制對(duì)提升煤炭開(kāi)采效率以及安全保障能力等均有顯著促進(jìn)意義。以20305 綜采工作面為工程背景，針對(duì)采面實(shí)際情況設(shè)計(jì)了自動(dòng)化控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)、液壓支架以及刮板輸送機(jī)運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)、傳輸、處理等，有效提高采面開(kāi)采設(shè)備綜合自動(dòng)化水平，并避免設(shè)備配合失誤導(dǎo)致的各類(lèi)故障發(fā)生。20305 綜采工作面通過(guò)使用綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)，有效提高了采面生產(chǎn)效率。