綜采工作面遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用

關(guān) 偉，楊 剛，張瑋蓉，李 剛，毛清華

(1.中煤西北能源有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017200；2.西安東達(dá)馬科智能控制系統(tǒng)有限公司，陜西 西安 710075；3.烏審旗蒙大礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017307；4.西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710054；5.陜西省礦山機(jī)電裝備智能監(jiān)測重點實驗室，陜西 西安 710054)

0 引言

煤礦智能化是適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)革命發(fā)展趨勢、保障國家能源安全、實現(xiàn)煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐[1-2]。根據(jù)烏審旗蒙大礦業(yè)有限責(zé)任公司納林河二號煤礦3-1上102綜采工作面1.6～2.6 m中厚煤層的賦存條件：礦井瓦斯含量低，煤層易自燃，具有爆炸危險性[3]，工作面平均煤厚2 m，工作面斷層少，局部有微弱的波狀起伏，構(gòu)造簡單[4]。針對以上情況，研究了綜采工作面遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)，為實現(xiàn)綜采工作面少人化、無人化發(fā)展提供了有力的技術(shù)支撐，降低了安全隱患，提高了工作面的生產(chǎn)效率[5]。

針對綜采工作面遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，國內(nèi)外專家學(xué)者對其進(jìn)行研究。王國法等[6]提出智慧煤礦巨系統(tǒng)綜合管理操作平臺，解決了子系統(tǒng)數(shù)據(jù)割裂、無法聯(lián)動、無法大數(shù)據(jù)分析支持等關(guān)鍵技術(shù)。遲煥磊等[7]針對井下智能化開采工作面的遠(yuǎn)程供電供液方式，將實時數(shù)據(jù)傳輸給集控中心實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，實現(xiàn)設(shè)備系統(tǒng)間的系統(tǒng)控制。高小強[8]研究了綜采工作面自動化系統(tǒng)，并在神東石圪臺煤礦進(jìn)行了井下工業(yè)性實驗與應(yīng)用，有效實現(xiàn)了工作面少人以及高效生產(chǎn)。王海軍[9]研究了數(shù)字式智慧綜采工作面集控系統(tǒng)，為實現(xiàn)最終的無人開采奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。陳旭忠等[10]研究了千萬噸級綜放工作面設(shè)備配套及自動控制系統(tǒng)，為建設(shè)同類千萬噸級綜放工作面提供借鑒經(jīng)驗。郭金剛等[11]研究綜采工作面智能化開采路徑及關(guān)鍵技術(shù)，并以同忻煤礦8202工作面為研究對象，探索特厚煤層智能化綜放開采模式的應(yīng)用。李首濱[12]以濱湖煤礦薄煤層、黃陵中厚煤層簡單地質(zhì)條件及紅柳煤礦中厚煤層復(fù)雜地質(zhì)條件為例，論述煤礦智能化發(fā)展的技術(shù)和管理對策，為煤礦智能化發(fā)展提供理論指導(dǎo)。張建國等[13]針對平頂山礦區(qū)地質(zhì)情況，研究深部煤層智能化大采長綜采工作面關(guān)鍵技術(shù)，滿足了安全高效生產(chǎn)的要求。

針對蒙大地質(zhì)條件，提出綜采工作面遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)，圍繞地面監(jiān)控中心、順槽控制中心以及EtherNet/IP通信技術(shù)[14]，分別對其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，并在蒙大納林河二號煤礦3-1上102工作面進(jìn)行應(yīng)用，以期全面提升綜采工作面自動化、智能化水平，為實現(xiàn)煤礦安全、高效生產(chǎn)提供借鑒，促進(jìn)煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

綜采工作面遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)通過工作面的綜合接入器、光電轉(zhuǎn)換器和交換機(jī)，建立一個統(tǒng)一開放的工作面100 M工業(yè)以太網(wǎng)控制平臺[15]，將地面監(jiān)控中心與順槽控制中心有機(jī)結(jié)合，實現(xiàn)對綜合機(jī)械化采煤工作面設(shè)備的協(xié)調(diào)管理和集中控制[16]。該系統(tǒng)總體方案如圖1所示，主要由綜采單機(jī)設(shè)備層、順槽監(jiān)控中心、地面監(jiān)控中心3部分組成。綜采單機(jī)設(shè)備層主要包括采煤機(jī)、液壓支架、刮板機(jī)、順槽皮帶、泵站、供電系統(tǒng)、語音、照明、視頻監(jiān)控、人員定位、環(huán)境監(jiān)測等[17]。順槽控制中心主要由采煤機(jī)控制系統(tǒng)、三機(jī)傳動在線監(jiān)測、支架電液控制系統(tǒng)、乳化液泵站控制系統(tǒng)、順槽皮帶機(jī)控制系統(tǒng)、皮帶自移控制系統(tǒng)、順槽超前支架電液控制系統(tǒng)、順槽設(shè)備列車電液控制系統(tǒng)、無線遙控系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)、人員識別系統(tǒng)、視頻在線監(jiān)視系統(tǒng)等組成[18]。地面監(jiān)控中心主要由交換機(jī)、各客戶端主機(jī)、客戶端顯示器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、硬盤錄像機(jī)、打印機(jī)等設(shè)備組成[19]。綜采單機(jī)設(shè)備層通過多種標(biāo)準(zhǔn)總線接口、OPC、TCP/IP、EtherNet/IP等與順槽控制中心連接并進(jìn)行信號傳輸，由順槽控制中心發(fā)布命令信號控制井下設(shè)備工作狀態(tài)。從工作面獲取的所有數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸平臺，接入到順槽控制中心，實現(xiàn)對綜采設(shè)備、環(huán)境狀態(tài)和人員狀態(tài)的視頻監(jiān)測功能，并實現(xiàn)工作面設(shè)備的遠(yuǎn)程“一鍵啟?！惫δ?。

2 地面監(jiān)控中心

在地面監(jiān)控室建立監(jiān)控中心，主要由自動化主機(jī)、視頻主機(jī)、硬件急停等配套設(shè)施組成。利用井上下工業(yè)環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)對工作面信息的實時監(jiān)測，進(jìn)而通過地面工作面操控平臺實現(xiàn)工作面設(shè)備的遠(yuǎn)程操控，并實現(xiàn)對工作面設(shè)備的“一鍵啟?！盵20]，使得地面監(jiān)控中心具備顯示功能、安全功能(報警提示功能、硬件急停功能)以及遠(yuǎn)程控制功能(采煤機(jī)控制、液壓支架控制)。

2.1 地面監(jiān)控中心遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控

通過建立有屏幕顯示與系統(tǒng)控制的智能工作面操控平臺，可實時顯示全工作面運行狀態(tài)、綜采設(shè)備運行狀態(tài)、工作面環(huán)境狀態(tài)、人員狀態(tài)以及工作面視頻。遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控是由地面監(jiān)控中心，以工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)作為視頻傳輸通道，接收到井下工作面攝像系統(tǒng)上傳的視頻畫面，并分別用多個界面顯示出來。

2.2 地面監(jiān)控中心遠(yuǎn)程控制

在綜采工作面遠(yuǎn)程控制過程中，設(shè)備位置監(jiān)測系統(tǒng)通過信號傳輸將設(shè)備狀態(tài)信息傳輸給操作臺，通過設(shè)備視頻監(jiān)控系統(tǒng)，工作人員操控操作臺發(fā)出相應(yīng)的指令，并通過數(shù)據(jù)通信總線與采煤機(jī)、液壓支架等設(shè)備進(jìn)行通信，將信號傳送給綜采工作面設(shè)備，從而實現(xiàn)綜采工作面的遠(yuǎn)程控制。同時，通過地面監(jiān)控中心視頻監(jiān)控信息，操控操作臺，通過一鍵啟停按鈕實現(xiàn)工作面設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

3 順槽控制中心

順槽控制中心是智能化綜采工作面的核心組成部分，順槽控制中心采用高效工控平臺，數(shù)據(jù)傳輸平臺將工作面所有數(shù)據(jù)接入到順槽控制中心，使得順槽控制中心具備數(shù)據(jù)顯示、設(shè)備控制、數(shù)據(jù)分析和生產(chǎn)管理等功能。工控平臺通過數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，對圖像進(jìn)行識別，采用預(yù)警報警機(jī)制，生成運行規(guī)劃，依據(jù)所確定刮板運輸機(jī)的實時位置曲線，制定采煤機(jī)路徑規(guī)劃及液壓支架自適應(yīng)規(guī)劃來實現(xiàn)智能化。順槽控制中心定期生成設(shè)備運行狀態(tài)的分析報告，采用關(guān)鍵指標(biāo)的方式，反映生產(chǎn)進(jìn)度，分析故障原因，指導(dǎo)日常維修，將更換式維護(hù)轉(zhuǎn)變成預(yù)防式服務(wù)。順槽控制系統(tǒng)通過通訊系統(tǒng)獲取設(shè)備運行數(shù)據(jù)，并通過控制中心實現(xiàn)對系統(tǒng)的實時遠(yuǎn)程監(jiān)測，可顯示出電機(jī)繞組溫度、減速器溫度、油溫、油位、冷卻水溫度和流速、工作面沿線閉鎖、輸送帶保護(hù)和故障報警等數(shù)據(jù)信息[21]。通過將工作面各設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、人員信息、工作面視頻以及傳感器數(shù)據(jù)等經(jīng)過數(shù)據(jù)傳輸平臺接入到工控平臺，井下相關(guān)設(shè)備的數(shù)據(jù)以及地面監(jiān)控室的相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)過交換機(jī)進(jìn)入到工控平臺，實現(xiàn)對綜采工作面的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集。

工控平臺具有顯示設(shè)備運行、環(huán)境和人員動態(tài)等功能，根據(jù)實時數(shù)據(jù)分析，工控平臺能夠生成和顯示工作面三維虛擬場景、工作面組件受力狀況、工作面跟機(jī)視頻顯示、生產(chǎn)運行以及設(shè)備維護(hù)數(shù)據(jù)。利用VR/AR技術(shù)在煤礦的精準(zhǔn)開采和井下設(shè)備群多維信息集成中的優(yōu)勢，實現(xiàn)工作面三維可視化建模，模型構(gòu)建方案如圖2所示，包括構(gòu)建三維模型、將模型導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實軟件中、設(shè)置交互邏輯3個主要環(huán)節(jié)。在建模軟件中根據(jù)綜采工作面設(shè)備的結(jié)構(gòu)及尺寸完成3D建模，在確保模型必要精確度和逼真度的同時，減少紋理精細(xì)程度，降低細(xì)節(jié)等級并減少圖形復(fù)雜度以提高系統(tǒng)運行效率[22-24]。順槽控制中心將工作面各設(shè)備、環(huán)境檢測系統(tǒng)、人員信息等經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸平臺接入到工控平臺，建立高質(zhì)量的綜采工作面及設(shè)備虛擬模型，將各傳感器數(shù)據(jù)反饋給虛擬綜采工作面，運用數(shù)字孿生驅(qū)動技術(shù)對綜采三機(jī)系統(tǒng)與采煤巷道虛擬模型進(jìn)行動態(tài)修正，實現(xiàn)綜采工作面設(shè)備系統(tǒng)的虛實同步控制。

圖2 基于VR/AR技術(shù)的三維綜采工作面構(gòu)建方案示意Fig.2 3D comprehensive mining face construction scheme based on VR/AR technology

4 基于EtherNet/IP的通信技術(shù)

建立工作面高速傳輸網(wǎng)絡(luò)、“無盲區(qū)”視頻監(jiān)控系統(tǒng)及實時語音通訊系統(tǒng)[25]，通過該網(wǎng)絡(luò)將工作面建設(shè)成一個數(shù)字化工作面，不僅實現(xiàn)工作面視頻與語音的傳輸，還能將工作面及順槽所有電氣設(shè)備的信息進(jìn)行集成，通過該網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。EtherNet/IP通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了煤礦裝備的通信標(biāo)準(zhǔn)，所有配套設(shè)備均具有統(tǒng)一的EtherNet/IP接口協(xié)議。通過定義不同的對象模型來實現(xiàn)EtherNet/IP通信功能，根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求級別，可以將通信任務(wù)分為遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)監(jiān)測、參數(shù)配置等，然后建立相應(yīng)的應(yīng)用對象模型[26]。對具有不同需求的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，具有高實時性的控制數(shù)據(jù)通過基于UDP/IP協(xié)議的類型1連接傳輸，而其他數(shù)據(jù)則通過基于TCP/IP協(xié)議的類型3連接進(jìn)行傳輸，數(shù)據(jù)分類處理可確保數(shù)據(jù)質(zhì)量。EtherNet/IP支持基于計算機(jī)軟件的一站式和多站通信。基于Ether Net/IP的通信架構(gòu)如圖3所示。EtherNet/IP通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議用于實現(xiàn)綜采工作面設(shè)備間的通信功能，具有良好的實時性和可靠性，并實現(xiàn)了設(shè)備的地面監(jiān)測監(jiān)控。設(shè)備通過模擬煤礦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實現(xiàn)設(shè)備工業(yè)以太網(wǎng)接入和互聯(lián)。

圖3 綜采工作面通信結(jié)構(gòu)Fig.3 Communication structure of fully mechanized mining face

5 現(xiàn)場應(yīng)用

綜采工作面遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計完成后，為驗證該系統(tǒng)的可行性，在蒙大納林河二號煤礦進(jìn)行工業(yè)性實驗，實現(xiàn)了工作面無操作人員和兩順槽監(jiān)控人員精簡到5人。

5.1 地面監(jiān)控中心遠(yuǎn)程監(jiān)控

圖4為地面監(jiān)控中心的控制平臺布局圖，在地面監(jiān)控中心可實時看到工作面的視頻畫面、順槽設(shè)備泵站、“三機(jī)”、皮帶機(jī)、開關(guān)、采煤機(jī)、液壓支架等設(shè)備的運行狀態(tài)，可以對人員進(jìn)行定位追蹤和對工作面環(huán)境進(jìn)行實時監(jiān)測。同時，放置一臺視頻存儲服務(wù)器，最多可存儲15天工作面的視頻數(shù)據(jù)，既可以實時查看工作面情況，也可以利用時間線查看，如圖5所示。

圖4 地面監(jiān)控控制中心Fig.4 Ground monitoring control center

圖5 時間線查看工作面運行情況Fig.5 Timeline to view the operation of the working face

5.2 順槽控制中心遠(yuǎn)程監(jiān)控

順槽控制中心由5臺主機(jī)和一臺觸摸操控機(jī)組成，5臺主機(jī)分別顯示工作面視頻、“三機(jī)”和采煤機(jī)控制界面、智能控制系統(tǒng)主界面、開關(guān)和泵站的運行狀態(tài)。觸摸操控臺可以控制工作面設(shè)備，實現(xiàn)工作面設(shè)備的單機(jī)啟停、一鍵啟停及智能化截割啟停等功能。圖6為工控平臺數(shù)據(jù)分析結(jié)果，通過對工作面設(shè)備運行狀態(tài)信息及參數(shù)信息進(jìn)行分析，保障工作面設(shè)備運行安全穩(wěn)定，提高生產(chǎn)效率。

圖6 順槽控制中心數(shù)據(jù)分析界面Fig.6 Data analysis interface of along the channel control center

6 結(jié)語

以蒙大納林河煤礦3-1上102綜采工作面為研究對象，針對其構(gòu)造簡單，易發(fā)生煤塵爆炸等特點，研究了綜采工作面遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)。應(yīng)用結(jié)果表明，地面監(jiān)控中心通過視頻監(jiān)控實現(xiàn)了工作面設(shè)備實時監(jiān)測、工作面環(huán)境監(jiān)測與人員定位監(jiān)測等，并通過操控面板實現(xiàn)設(shè)備的“一鍵啟?！辈倏?；順槽控制中心結(jié)合VR/AR技術(shù)與視頻監(jiān)控實現(xiàn)了綜采工作面的三維可視化界面，并實現(xiàn)了設(shè)備系統(tǒng)間的虛實同步控制。該系統(tǒng)有效提高了整個綜采工作面系統(tǒng)的工作效率及穩(wěn)定性，實現(xiàn)了整個工作面的“有人巡視、無人操作、遠(yuǎn)程干預(yù)、安全高效、綠色節(jié)能”的智慧運營。