大采高綜采工作面設(shè)備智能控制系統(tǒng)研究

馮銀輝，崔 耀，王旭峰，秦澤宇，王志強，毛自新

(1.北京天瑪智控科技股份有限公司，北京 101399;2.國能神東煤炭集團有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

0 引 言

煤炭在未來較長時間內(nèi)仍是我國主體能源，隨著國家“十三五”能源發(fā)展規(guī)劃的實施，安全智能、綠色高效礦井已經(jīng)成為我國煤礦發(fā)展的主要方向，其中綠色無人開采是“十三五”能源科技創(chuàng)新重點任務(wù)集中攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前我國煤礦安全生產(chǎn)狀況持續(xù)好轉(zhuǎn)，但開采技術(shù)條件日趨復(fù)雜[1-4]。煤礦綜采工作面作為礦井生產(chǎn)的重要場所，其綜采設(shè)備系統(tǒng)龐大，由液壓支架、采煤機、刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、破碎機、膠帶輸送機、組合開關(guān)、泵站等多達十幾種、近三百臺設(shè)備組成。各設(shè)備作業(yè)條件復(fù)雜，盡管單機設(shè)備如液壓支架、采煤機等的自動化、智能化程度取得一定進展和突破，但仍面臨著各設(shè)備控制方式分散、不能實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的配合，無法充分發(fā)揮設(shè)備性能，開采效率低等問題[5-10]。

實現(xiàn)綜采工作面自動化采煤是當(dāng)前國際采礦界研究的熱點，國外對提高設(shè)備通信效率進行了研究[11-13]，基于以太網(wǎng)對綜采工作面采煤機、支架及相關(guān)設(shè)備進行聯(lián)動控制及水平導(dǎo)航控制，探索了先進、安全、高效的自動化技術(shù)和模式，開發(fā)了集監(jiān)視、控制、自動化、生產(chǎn)計劃管理功能于一體的系統(tǒng)。國內(nèi)從本世紀(jì)初開始研究綜采自動化技術(shù)及裝備，神東公司2008年在榆家梁煤礦建成第一個自動化綜采工作面；陜煤黃陵公司2014年建成了地面遠(yuǎn)程操控采煤系統(tǒng)[14-16]。2016和2017年，神東公司分別在石圪臺煤礦、錦界煤礦建成自動化綜采工作面，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的順槽集中監(jiān)控、采煤機記憶割煤、支架自動化跟機等功能。在6～8 m的大采高綜采工作面設(shè)備進行研究與實踐，提出了超大采高綜采技術(shù)裝備的適應(yīng)條件及實施的技術(shù)經(jīng)濟性，但采煤機、液壓支架、運輸“三機”等綜采重要設(shè)備的數(shù)據(jù)共享、協(xié)同控制、故障預(yù)警等技術(shù)還有待進一步提升[17-20 ]。而在8 m以上大采高智能化集控技術(shù)上，研究難度大，可借鑒的成功經(jīng)驗較少。

本研究為煤炭行業(yè)大采高綜采工作面的智能開采提供技術(shù)積累和實踐經(jīng)驗。通過技術(shù)研究和試驗過程，取得一批重要關(guān)鍵創(chuàng)新性成果，建設(shè)智能大采高綜采成套技術(shù)與裝備集成研發(fā)工程示范，達到綜采工作面設(shè)備安全、高效、協(xié)調(diào)和連續(xù)運行的目的，實現(xiàn)綜采工作面生產(chǎn)的智能化控制和安全高效綠色開采。

1 智能控制系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計

智能控制系統(tǒng)以Ethernet/IP實時工業(yè)以太網(wǎng)總線協(xié)議為通訊標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了單軌吊集中控制室、移變列車集中控制室和地面智能專家決策平臺3個控制平臺統(tǒng)一。建立了統(tǒng)一的服務(wù)器、存儲及數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，集成接入工作面煤巖識別、礦壓監(jiān)測、煤量監(jiān)測、人員定位、視頻可視化、供電、安全監(jiān)測等系統(tǒng)。兩層控制模式，主從冗余控制方案，具備專家決策、供電系統(tǒng)報警、監(jiān)測系統(tǒng)預(yù)警功能，最終實現(xiàn)整個綜采工作面的集中控制、智能協(xié)同控制。綜采智能控制系統(tǒng)功能架構(gòu)總體設(shè)計如圖1所示。

圖1 智能控制系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計Fig.1 Architecture design of intelligent control system

系統(tǒng)包括工作面巷道集控中心、單軌吊集控中心、地面專家決策系統(tǒng)、地面分控中心等。井下部分集成了瓦斯、粉塵安全監(jiān)測數(shù)據(jù)、人員定位數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)，地面部分集成了安全工程、礦壓分析、智能視頻等數(shù)據(jù)，系統(tǒng)支持移動終端進行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)查看。

1.1 系統(tǒng)集控方案設(shè)計

在井下巷道監(jiān)控中心和單軌吊集控中心，設(shè)計了主從冗余的自動化監(jiān)控主機架構(gòu)，提高井下主機系統(tǒng)的可靠性。集控架構(gòu)部署如圖2所示。

圖2 集控部署架構(gòu)Fig.2 Architecture of centralized deployment

系統(tǒng)設(shè)計了3個控制地、主從熱備、數(shù)據(jù)同步方案，實現(xiàn)與地面數(shù)據(jù)中心的同步，保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和一致性,如圖3所示。

圖3 主從設(shè)備和數(shù)據(jù)同步設(shè)計Fig.3 Master slave device and data synchronization design

系統(tǒng)建立井下、地面統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問接口和主從數(shù)據(jù)庫設(shè)計方案，在地面、井下分別建立同步的時序數(shù)據(jù)庫和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，用于存儲各個設(shè)備系統(tǒng)共享的傳感器、電控數(shù)據(jù)，采用RESTful API接口和Ethernet/IP協(xié)議，實現(xiàn)整個工作面設(shè)備的監(jiān)控與數(shù)據(jù)交互的功能。

1.2 地面服務(wù)器部署方案設(shè)計

通過在地面建立服務(wù)器虛擬化業(yè)務(wù)區(qū)，實現(xiàn)服務(wù)器的高可用，故障自動轉(zhuǎn)移等功能；服務(wù)器存儲方案采用分布式存儲，提供高可靠性的安全存儲；該方案的管理、業(yè)務(wù)、存儲、終端相互隔離，實現(xiàn)冗余網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖4所示。

圖4 地面服務(wù)器部署方案設(shè)計Fig.4 Server deployment scheme design

2 綜采設(shè)備聯(lián)動控制模型

通過對綜采設(shè)備控制流程進行分析建模，研發(fā)綜采工作面煤流負(fù)荷平衡控制系統(tǒng)，為巷道集中智能綜合控制系統(tǒng)提供優(yōu)化控制算法；通過監(jiān)測煤流運輸環(huán)節(jié)的負(fù)荷能力，在過負(fù)荷的情況系下，可以反饋閉鎖控制采煤機、支架放煤和推溜等煤礦裝載過程；針對大采高場景，通過對綜采設(shè)備傳感器、工作面產(chǎn)量、設(shè)備故障等歷史數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化系統(tǒng)聯(lián)動控制模型，實現(xiàn)綜采工作面的均衡生產(chǎn)。

2.1 采煤機聯(lián)動控制模型

1)采煤機速度設(shè)定值受刮板輸送機負(fù)荷狀態(tài)的影響，同時為了防止刮板輸送機堆煤，在刮板輸送機低速時，根據(jù)設(shè)定值，降低采煤機速度，當(dāng)刮板輸送機故障時，采煤機聯(lián)動降速停機。采煤機速度上限值主要依據(jù)液壓支架的追機速度而定，見表1,其中v0為采煤機額定速度。此外，采煤機聯(lián)動控制模型集成了采煤機和支架的碰撞檢測和預(yù)防功能，控制策略形式見表2。

表1 采煤機速度設(shè)定值v與刮板輸送機負(fù)荷關(guān)聯(lián)

表2 采煤機控制輸入

2.2 “三機”聯(lián)動控制模型

刮板輸送機的前級設(shè)備為采煤機，刮板輸送機速度應(yīng)與采煤機速度相互匹配，同時也受到后級的轉(zhuǎn)載機負(fù)荷的約束，而轉(zhuǎn)載機轉(zhuǎn)速與刮板輸送機單位時間運輸煤量相互匹配。除此之外，依據(jù)機頭平行電機電流、機頭垂直電機電流、機尾電機電流，“三機”聯(lián)動控制模型輸出運輸機負(fù)荷值，作為采煤機聯(lián)動控制模塊和轉(zhuǎn)載機聯(lián)動控制模塊的輸入，以使刮板輸送機與采煤機、轉(zhuǎn)載機負(fù)載合理匹配，見表3。

表3 刮板輸送機控制輸入

轉(zhuǎn)載機的后級設(shè)備為刮板輸送機，轉(zhuǎn)載機轉(zhuǎn)速受限于刮板輸送機的負(fù)荷大小，根據(jù)刮板輸送機負(fù)荷的高低主動調(diào)節(jié)；刮板輸送機的轉(zhuǎn)速設(shè)定值與轉(zhuǎn)載機負(fù)荷相互匹配。同時該模型通過破碎機電機電流計算破碎機負(fù)荷大小，根據(jù)結(jié)果進行適當(dāng)調(diào)節(jié)，以使煤塊能夠充分破碎，見表4。

表4 轉(zhuǎn)載機轉(zhuǎn)速上限和刮板輸送機負(fù)荷，破碎機負(fù)荷關(guān)聯(lián)

2.3 支架、泵站聯(lián)動控制模型

支架聯(lián)動控制通過計算移架速度和防碰撞距離，確定隔架或順序移架策略，為采煤機聯(lián)動控制模塊服務(wù)，使采煤機和支架能夠良好協(xié)同工作。

供液壓力是移架速度和支架追機速度的重要影響因素，根據(jù)采煤機實際速度合理調(diào)整泵站供液壓力設(shè)定值，以使移架和追機速度滿足采煤機在多種速度運行時的需要，支架泵站控制輸入見表5。

表5 支架、泵站控制輸入

3 集中與協(xié)同控制

3.1 設(shè)備集中遠(yuǎn)控

在集控模式下，地面及井下的集控系統(tǒng)可遠(yuǎn)程控制采煤機，能夠?qū)崿F(xiàn)對采煤機的電氣控制、保護和遠(yuǎn)程監(jiān)控，實現(xiàn)智能割煤。

該系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制“三機”，能夠?qū)伟遢斔蜋C、轉(zhuǎn)載機、破碎機的控制與監(jiān)控預(yù)警，實現(xiàn)刮板輸送機智能化運行；遠(yuǎn)程控制乳化泵、噴霧泵，設(shè)備啟停，根據(jù)液壓支架動作的需液量，調(diào)節(jié)變頻泵的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)智能供液；遠(yuǎn)程控制工作面液壓支架，通過液壓支架配套的傳感器電控系統(tǒng)對液壓支架的成組推溜和跟機拉架進行遠(yuǎn)程控制和遙控控制，實現(xiàn)智能支護。采煤機遠(yuǎn)程啟動邏輯圖如圖5所示。

圖5 采煤機順啟邏輯Fig.5 Sequence starting logic of shearer

3.2 設(shè)備協(xié)同控制

基于集控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制功能，研發(fā)綜采設(shè)備協(xié)同控制模型，實現(xiàn)對采煤機、支架、三機協(xié)同作業(yè)的控制，軟件界面如圖6所示，同時實現(xiàn)供電、供排水等輔助系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)控制，實現(xiàn)刮板輸送機、采煤機、拉架匹配度速度自適應(yīng)控制。協(xié)同控制模型可根據(jù)工作面瓦斯傳感器監(jiān)測，瓦斯超限達到斷電值后，自動切斷工作面所有電源可對工作面的所有移變進行分閘；通過分析采煤機運行速度與液壓支架動作頻率之間的關(guān)系，實現(xiàn)采煤機位置和速度的液壓支架姿態(tài)自適應(yīng)控制方法，建立綜采工作面協(xié)同閉環(huán)控制模型；系統(tǒng)在集控模式下具有煤機與刮板輸送機、噴霧泵聯(lián)動功能，建立基于液壓支架動作統(tǒng)計的供液壓力動態(tài)預(yù)測的壓力輸出協(xié)同控制模型，使液壓支架能夠獲得較為穩(wěn)定的動態(tài)壓力；通過激光斷面煤流量監(jiān)測裝置，監(jiān)測煤流量，控制采煤機速度，采煤機協(xié)同控制流程圖如圖7所示。

圖6 協(xié)同控制界面Fig.6 Interface of collaborative control

圖7 采煤機協(xié)同控制流程Fig.7 Flow of collaborative control of shearer

3.3 集控平臺

單軌吊控制室設(shè)置在巷道自移機尾處，安裝在單軌吊上，便于工作面回采時控制室移動；單軌吊控制中心可與設(shè)備列車集控中心實現(xiàn)主從冗余備份，在單軌吊控制室可實現(xiàn)“三機”、支架、采煤機、供電及可視化系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測，在集控模式下實現(xiàn)“三機”、泵站、移變、煤機的設(shè)備啟停，如圖8所示。

圖8 單軌吊監(jiān)控中心設(shè)計Fig.8 Design of monorail crane monitoring center

巷道監(jiān)控中心設(shè)置在設(shè)備列車中部，監(jiān)控中心與單軌吊控制室實現(xiàn)主從冗余，在監(jiān)控中心可實現(xiàn)“三機”、支架、采煤機、供電及可視化系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測，在集控模式下實現(xiàn)“三機”、泵站、移變、采煤機(需開放控制接口)的設(shè)備啟停，如圖9所示。

圖9 監(jiān)控系統(tǒng)軟件運行效果Fig.9 Operation effect of channel monitoring center system

4 智能分析專家決策系統(tǒng)

智能分析專家決策系統(tǒng)由人工智能算法、專家診斷系統(tǒng)知識庫和規(guī)則引擎組成。借助人工智能的算法分析工作面設(shè)備歷史數(shù)據(jù)規(guī)律，采用圖形化編程的規(guī)則引擎引入專家規(guī)則經(jīng)驗，將算法和經(jīng)驗相結(jié)合形成綜采工作面生產(chǎn)特有的知識規(guī)則，最后融入專家診斷系統(tǒng)知識庫，構(gòu)建了閉環(huán)決策。

4.1 故障識別算法

系統(tǒng)通過對設(shè)備工況歷史數(shù)據(jù)挖掘，形成一個設(shè)備或工藝過程的正常運行模型，并將其與實時運行狀態(tài)進行分析比較，計算出當(dāng)前值和模型預(yù)測值之間的偏差，當(dāng)這個偏差值大于一定范圍，或這一差值有繼續(xù)放大的趨勢時，說明設(shè)備存在某類故障苗頭或劣化趨勢，并提醒設(shè)備管理人員把隱患消除在萌芽狀態(tài)之內(nèi)，從而提高設(shè)備的可靠性。

當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障預(yù)警時，設(shè)備的相關(guān)參數(shù)都會偏離模型的預(yù)測值。系統(tǒng)提供設(shè)備各參數(shù)貢獻率的柱狀圖，直觀展現(xiàn)各參數(shù)對設(shè)備故障報警的貢獻程度。用戶可根據(jù)貢獻率初步定位設(shè)備故障的原因。然后，用戶可查看相關(guān)參數(shù)的相對偏差或者絕對偏差的變化，鎖定設(shè)備故障的原因，如圖10所示。

圖10 模型整體余量的偏差分析Fig.10 Deviation analysis of overall model allowance

4.2 規(guī)則引擎

系統(tǒng)提供強大的規(guī)則引擎和專家診斷系統(tǒng)知識庫為用戶的決策提供重要的參考。規(guī)則引擎實現(xiàn)將業(yè)務(wù)決策從應(yīng)用程序代碼中分離出來，調(diào)用集控系統(tǒng)點表數(shù)據(jù)，采用預(yù)定義的圖形化模塊編寫業(yè)務(wù)決策。具體功能為輸入數(shù)據(jù)，解釋業(yè)務(wù)規(guī)則，并根據(jù)業(yè)務(wù)規(guī)則做出業(yè)務(wù)決策，如圖11所示。

圖11 規(guī)則引擎示例Fig.11 Example of rule engine

4.3 專家診斷系統(tǒng)知識庫

專家診斷系統(tǒng)知識庫是結(jié)構(gòu)化、易操作、全面有組織的綜采設(shè)備知識集群。這些知識片包括理論知識、事實數(shù)據(jù)，由專家經(jīng)驗得到的啟發(fā)式知識，以及綜采設(shè)備常識性知識等，為決策算法和規(guī)則引擎提供故障維修建議。

該知識庫目前已經(jīng)存儲218條設(shè)備故障與維修知識。知識庫與決策算法和規(guī)則引擎聯(lián)動，根據(jù)發(fā)生故障提供維修建議，并反饋到前端界面；使監(jiān)控人員及時有效干預(yù)，同時提高了工人檢修效率。

5 結(jié) 論

1)設(shè)計了智能控制平臺的總體架構(gòu)，開發(fā)了綜采設(shè)備控制模型，制定了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫方案和訪問接口，研發(fā)了智能化控制系統(tǒng)軟件。建立集控中心，實現(xiàn)馬蒂兒單軌吊控制室與順槽監(jiān)控中心的主從冗余，集中控制，并在地面搭建數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器集群，在綜采隊部署了地面分控中心。

2)系統(tǒng)分析了大采高綜采面設(shè)備的工作特點，打通了綜采面設(shè)備的控制權(quán)限，實現(xiàn)采煤機、“三機”、支架和泵站等設(shè)備遠(yuǎn)控及一鍵啟停，與粉塵傳感器聯(lián)動智能降塵；研究通過集控系統(tǒng)實現(xiàn)對采煤機、支架、“三機”協(xié)同作業(yè)的控制，同時通過邏輯控制關(guān)系實現(xiàn)供電、供排水等輔助系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)控制，開發(fā)刮板輸送機、采煤機、拉架匹配度速度自適應(yīng)控制模型。

3)從大采高綜采面集中控制和協(xié)同控制等方面，開發(fā)了綜采面設(shè)備監(jiān)測、智能分析專家決策系統(tǒng)軟件，并將預(yù)警結(jié)果輸出到集控平臺，指導(dǎo)安全生產(chǎn)。