智能化采煤工作面采煤機自動監(jiān)控系統(tǒng)研究

謝志遠

（汾西礦業(yè)柳灣煤礦， 山西 孝義 032300）

引言

隨著礦井煤炭開采工藝、裝備等的提升，采煤工作面已逐漸向自動化、智能化發(fā)展，同時部分礦井已實現(xiàn)智能化開采[1-3]。受到煤礦井下環(huán)境惡劣、開采煤層賦存條件復(fù)采以及煤炭開采工藝等限制，智能采煤工作面采煤機自動截割工藝應(yīng)用效果不盡人意，現(xiàn)場應(yīng)用過程中需要人工頻繁干預(yù)，采煤機在生產(chǎn)期間容易出現(xiàn)故障，不僅影響采煤自動化程度而且影響煤炭正常生產(chǎn)[4-6]。為此，文中針對智能采煤工作面現(xiàn)狀，提出一種采煤機運行自動監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)采煤機割煤期間參數(shù)的自動監(jiān)測、調(diào)控，可提高采煤機自動截割控制能力而且大幅降低采煤機故障發(fā)生率。

1 采煤機截割操作及記憶截割策略分析

1.1 采煤機記憶截割操作方式

現(xiàn)階段礦井智能化采煤工作面采煤機記憶截割無法實現(xiàn)采煤機自動化運行控制，在現(xiàn)場生產(chǎn)過程中操作人員需頻繁干預(yù)采煤機割煤過程。為此，文中提出的采煤機自動監(jiān)控系統(tǒng)是采煤機機載傳感器、液壓支架上紅外傳感器實現(xiàn)采煤機工作狀態(tài)以及位置等監(jiān)控，并通過慣性導(dǎo)航系統(tǒng)實現(xiàn)采煤機運行路徑定位。將采煤機記憶截割控制分人工操作示范階段、采煤機記憶截割控制階段兩個階段。在人工操作示范階段（采煤機學(xué)習(xí)階段），即采煤機在初期割煤時，現(xiàn)場操作人員控制采煤機運行，并通過電控系統(tǒng)對人工操控期間采煤機運行參數(shù)進行存儲；采煤機記憶截割控制階段是基于人工操作示范階段采煤機生產(chǎn)參數(shù)自動調(diào)整采煤機運行姿態(tài)，從而實現(xiàn)采煤機自動截割控制。

1.2 采煤機操控數(shù)據(jù)采集

在采煤機正常工作過程中，監(jiān)控系統(tǒng)對采煤機各關(guān)鍵部位運行參數(shù)進行存儲、分析，并將監(jiān)測獲取到的參數(shù)作為后續(xù)采煤機自動化操控依據(jù)，從而提升采煤機自適應(yīng)調(diào)整以及自動化操控依據(jù)。采煤機生產(chǎn)過程中對每個作業(yè)循環(huán)過程中，對采煤機自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整、自動依據(jù)跟蹤，常規(guī)點數(shù)據(jù)按照采煤機運行等距離定點進行，具體表達式為：

數(shù)據(jù)采集點數(shù)可通過下述公式確定：

式中：xi，j為采煤機在第j 次記憶截割時第i 個數(shù)據(jù)采集點定位距離，m；Si，j為采煤機在第j 次記憶截割時第i 個數(shù)據(jù)采集點采集信息；△X 為數(shù)據(jù)采集點間距，m；Lj表示切眼長變化，m。

在切眼長度變化給定范圍內(nèi)，煤層頂?shù)装迤鸱兓L度最小值為Lmin，則數(shù)據(jù)采集點間距△X＜Lmin/2。

1.3 采煤機記憶截割策略

采煤機自動監(jiān)控系統(tǒng)對采煤機自動截割參數(shù)進行采集，由于采煤機在正常生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生巨量運行參數(shù)，監(jiān)控系統(tǒng)無法實現(xiàn)全部監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲，為避免重要監(jiān)測數(shù)據(jù)丟失進而影響采煤機記憶截割，需要制定針對性記憶截割方案，并對采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行優(yōu)化分類，提高了監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲空間利用率。

2 采煤機自動監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

煤礦井下環(huán)境惡劣，采煤機記憶截割、自動化控制仍需要不斷改進。文中設(shè)定的采煤機自動化監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見下頁圖1 所示，結(jié)構(gòu)有傳感器、S7-300PLC、WinCC 模塊等，傳感器對采煤機運行參數(shù)進行監(jiān)測并將監(jiān)測參數(shù)實時傳輸給PLC，實現(xiàn)采煤機記憶截割期間運行實時監(jiān)測。在采煤機記憶截割期間，若某項監(jiān)測參數(shù)存在異常時，自動監(jiān)控系統(tǒng)會發(fā)出報警信號，從而避免故障擴大化。在自動監(jiān)測期間對采煤機所處位置、擺動角度、仰俯角、搖臂傾角等參數(shù)進行實時監(jiān)測、存儲，并為后續(xù)采煤機在三角區(qū)割煤以及記憶截割提供參考，以便提高采煤機智能化控制水平。

圖1 采煤機自動監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 自動監(jiān)控系統(tǒng)硬件及軟件結(jié)構(gòu)

2.2.1 硬件結(jié)構(gòu)

1）PLC 選型。PLC 是整個自動監(jiān)控系統(tǒng)核心組件，PLC 結(jié)構(gòu)包括有存儲器、CPU、電路輸入/輸出模塊以及通信模塊等。從自動監(jiān)控系統(tǒng)實際需求方面考慮，PLC 選擇S7-300 型，PLC 的CPU 為313C-2PtP，具有運算速度快、穩(wěn)定性好以及抗干擾能力強等優(yōu)點。

2）通信模塊。通信模塊需要有較強的通信能力以及可靠性，可滿足PLC 與上位機間通訊需求。根據(jù)自動監(jiān)控系統(tǒng)需要，通信模塊為CP341，可實現(xiàn)點對點通信，通信距離可達到1300 m，并指出MODBUS、DataHighway 等多種通信協(xié)議。

2.2.2 軟件結(jié)構(gòu)

采煤機自動監(jiān)控系統(tǒng)軟件運行流程見圖2 所示。

圖2 自動監(jiān)控系統(tǒng)軟件運行流程

采用的監(jiān)控軟件采用模塊化設(shè)計，具體功能模塊包括有數(shù)據(jù)采集、記憶截割自適應(yīng)調(diào)整、人工修整以及故障報警等。在采煤機割煤初期，先采用人工控制為采煤機后續(xù)記憶截割提供示范，通過監(jiān)控系統(tǒng)對采煤機截割參數(shù)進行監(jiān)測、分析，并為后續(xù)采煤機自適應(yīng)調(diào)控提供指導(dǎo)。

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

將文中所提智能采煤工作面采煤機自動監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用到山西某礦3203 智能化工作面采煤機運行監(jiān)控中，在采煤機記憶截割期間獲取到的部分運行參數(shù)見表1 所示。

表1 采煤機監(jiān)測參數(shù)

從表1 看出，在采煤機記憶截割控制中，自動監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)采煤機運行參數(shù)實時監(jiān)測，并提升采煤機記憶截割智能化程度；自動監(jiān)控系統(tǒng)獲取到的采煤機運行參數(shù)與采煤機現(xiàn)場運行參數(shù)一致，表明該系統(tǒng)可滿足采煤機自動監(jiān)控需求。