馬 昆

(國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)棗泉煤礦，寧夏自治區(qū)銀川市，751411)

20世紀(jì)80年代，美國(guó)和澳大利亞等國(guó)家的煤礦開始采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、大功率變頻牽引采煤機(jī)控制技術(shù)、液壓支架電液控制技術(shù)、刮板輸送機(jī)軟啟動(dòng)和變頻技術(shù)，逐步實(shí)現(xiàn)了采煤工作面少人操作和自動(dòng)化采煤。澳大利亞的基于陀螺儀導(dǎo)向定位的自動(dòng)化采煤方法，其控制對(duì)象是“三機(jī)”為主的全工作面自動(dòng)化控制，采用控制中心+控制器+工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線的控制技術(shù)，自動(dòng)化程度較高。我國(guó)以國(guó)家能源集團(tuán)神東公司和寧夏煤業(yè)公司為代表的綜采工作面自動(dòng)化技術(shù)研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)重復(fù)記憶割煤、支架自動(dòng)跟機(jī)拉架、遠(yuǎn)程干預(yù)等，大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了較高程度的自動(dòng)化生產(chǎn)。

就我國(guó)智能生產(chǎn)技術(shù)成熟度而言，目前智能生產(chǎn)技術(shù)成熟度初步評(píng)估為67%左右，其中綜采設(shè)備人工智能技術(shù)總體評(píng)估為70%，綜掘設(shè)備人工智能技術(shù)總體評(píng)估為42%。一方面表現(xiàn)為采煤機(jī)的煤巖識(shí)別、液壓支架的傾斜調(diào)節(jié)、巷道的掘進(jìn)和支護(hù)、輔助運(yùn)輸和工程方面的自動(dòng)化和智能化水平不高；另一方面是復(fù)雜條件下礦井生產(chǎn)的采掘失調(diào)矛盾突出，快速掘進(jìn)類智能化技術(shù)和設(shè)備發(fā)展緩慢。

當(dāng)前，智能技術(shù)已相對(duì)成熟，完全可以實(shí)現(xiàn)“有人巡視，無(wú)人值守”，目前需要觀念上的突破和應(yīng)用上的細(xì)化。棗泉煤礦煤層賦存地質(zhì)條件復(fù)雜，在自動(dòng)化開采上尚屬空白，面對(duì)棗泉煤礦存在的傾角大、地應(yīng)力大、采后動(dòng)壓大、防滅火壓力大、斷層多、地溫高以及施工條件復(fù)雜等特點(diǎn)，研究自動(dòng)化控制技術(shù)的突破原則為單項(xiàng)研究，從易到難，從機(jī)械化到自動(dòng)化再到智能化。

目前，棗泉煤礦同國(guó)內(nèi)大多數(shù)煤礦一樣，工作面自動(dòng)化控制對(duì)象是以“三機(jī)”、帶式輸送機(jī)、泵站等局部綜采設(shè)備單一集控為主，采用控制器+工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線的控制技術(shù)多是在單個(gè)設(shè)備或功能自動(dòng)控制基礎(chǔ)上增加了工作面所有設(shè)備的聯(lián)動(dòng)過程，自動(dòng)化控制程度較低。因此，研究綜采工作面的自動(dòng)化控制技術(shù)體系以及機(jī)電設(shè)備故障診斷系統(tǒng)與自動(dòng)化控制技術(shù)體系對(duì)提高礦井工作面生產(chǎn)效率和安全生產(chǎn)指標(biāo)具有重要意義。

1 項(xiàng)目背景

棗泉煤礦220704綜采工作面位于棗泉煤礦工業(yè)廣場(chǎng)東北方向，隸屬于22采區(qū)，主采7#煤層，工作面走向長(zhǎng)為2093～2135 m(平均為2114 m)，傾斜長(zhǎng)為178～188 m(平均為183.7 m)。工作面正常涌水量約為80 m3/h，最大涌水量約為120 m3/h，瓦斯絕對(duì)涌出量約為2.60 m3/min。煤塵具有爆炸性，爆炸指數(shù)為34.66%，屬于一類容易自燃煤層，最短自燃發(fā)火期鑒定為35 d。此井田無(wú)地溫?zé)岷ΜF(xiàn)象，無(wú)沖積地壓。

煤炭企業(yè)為了提高煤炭資源的開采效率，加大了依靠綜采自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行煤礦開采的力度。國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)公司對(duì)煤礦安全高效開采非常重視并積極調(diào)研，旨在為煤礦開采研究一條最佳的技術(shù)途徑。采掘工作面是煤礦開采的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，作業(yè)人員占所有井下作業(yè)人員的50%以上，然而發(fā)生在采掘工作面的煤礦重特大事故占70%左右，因此實(shí)現(xiàn)采掘工作面的智慧開采是目前煤礦開采面臨的重大課題。研究綜采工作面自動(dòng)化控制技術(shù)、增強(qiáng)設(shè)備的故障診斷和信息化控制技術(shù)，從安全發(fā)展來(lái)看能夠有效減少井下人員，實(shí)現(xiàn)礦井的智能管理，有效規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)并降低成本；從開發(fā)戰(zhàn)略來(lái)看，有利于提升煤炭的產(chǎn)量和資源利用率；從技術(shù)層面看，對(duì)棗泉礦區(qū)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期安全高效生產(chǎn)具有重要意義。

2 綜采工作面自動(dòng)化控制技術(shù)體系構(gòu)建

以實(shí)現(xiàn)綜采工作面生產(chǎn)可視化、控制遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化、信息共享化、常態(tài)作業(yè)無(wú)人(少人)化、安全標(biāo)準(zhǔn)化、企業(yè)效益最大化為目標(biāo)，以采煤機(jī)記憶截割、液壓支架跟機(jī)作業(yè)自動(dòng)化及與圍巖耦合智能控制、綜采設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制機(jī)電設(shè)備運(yùn)行工況智能監(jiān)測(cè)控制以及可視化遠(yuǎn)程監(jiān)控為基礎(chǔ)，以生產(chǎn)系統(tǒng)自動(dòng)化控制軟件為核心，建立綜采工作面“無(wú)人操作、有人巡視”的自動(dòng)化無(wú)人開采生產(chǎn)模式。

綜采工作面自動(dòng)化控制技術(shù)體系主要有綜采工作面裝備選型設(shè)計(jì)與配套方案優(yōu)化、綜采工作面裝備自動(dòng)化控制技術(shù)、綜采工作面“三機(jī)”故障診斷系統(tǒng)與信息化控制技術(shù)三大部分組成。前兩部分技術(shù)較為成熟。

綜采工作面“三機(jī)”故障診斷系統(tǒng)與信息化控制技術(shù)采用信息化控制技術(shù)，搭建綜采工作面遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)，對(duì)綜采工作面關(guān)鍵設(shè)備及工況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視、“三機(jī)”聯(lián)動(dòng)控制、故障診斷、保護(hù)和聯(lián)鎖，完成割煤、推溜、移架、裝煤、拖纜和運(yùn)輸?shù)茸詣?dòng)化生產(chǎn)流程，實(shí)現(xiàn)綜采工作面少人化、無(wú)人化開采，確保井下生產(chǎn)安全、高產(chǎn)、高效。

3 綜采工作面“三機(jī)”故障診斷技術(shù)

3.1 “三機(jī)”運(yùn)行工況自動(dòng)監(jiān)測(cè)

在綜采工作面無(wú)線交換網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和已有煤礦井下有線工業(yè)以太網(wǎng)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，通過“三機(jī)”集控主機(jī)，實(shí)現(xiàn)電牽引采煤機(jī)、電液支架主控制器、工作面輸送設(shè)備的集中控制。通過工作面視頻監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤工作面的無(wú)死角監(jiān)控，通過設(shè)置在運(yùn)輸巷的綜采自動(dòng)化監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)工作面三級(jí)系統(tǒng)的集中監(jiān)測(cè)與控制，并通過工業(yè)以太網(wǎng)平臺(tái)在地面監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面自動(dòng)化系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。“三機(jī)”運(yùn)行工況自動(dòng)監(jiān)測(cè)總體監(jiān)控方案如圖1所示。

3.2 “三機(jī)”運(yùn)行工況故障診斷

綜采工作面故障診斷具有幾個(gè)方面的特點(diǎn)：一是工作面的環(huán)境條件惡劣，如粉塵、溫度、濕度等，這將影響監(jiān)測(cè)點(diǎn)感知元件的敏感性；二是工作面具有大量機(jī)電設(shè)備，電磁干擾比較嚴(yán)重，對(duì)采集的數(shù)據(jù)傳輸有一定影響；三是工作面綜采設(shè)備需要連續(xù)運(yùn)行，并且隨著回采方向移動(dòng)，要求診斷系統(tǒng)具有更高的靈活性和可靠性。

圖1 “三機(jī)”運(yùn)行工況自動(dòng)監(jiān)測(cè)總體監(jiān)控方案

根據(jù)無(wú)人值守工作面的技術(shù)要求，為了實(shí)現(xiàn)工況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及故障診斷和各監(jiān)測(cè)分站的數(shù)據(jù)交換功能，設(shè)計(jì)的“三機(jī)”運(yùn)行工況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及故障診斷流程如圖2所示。

圖2 “三機(jī)”運(yùn)行工況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及故障診斷流程

由圖2可以看出，該流程包括數(shù)據(jù)初始化、系統(tǒng)自診斷、讀取各監(jiān)測(cè)分站的監(jiān)測(cè)和診斷數(shù)據(jù)、預(yù)警判斷、報(bào)警判斷、修改報(bào)警值、人機(jī)界面控制、按鍵識(shí)別和向上位機(jī)傳送監(jiān)測(cè)和診斷數(shù)據(jù)等。針對(duì)沖擊干擾和高斯白噪音干擾，基于小波包變換理論，以信號(hào)能量-相關(guān)性為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)噪聲信號(hào)和有用信號(hào)進(jìn)行區(qū)分，實(shí)現(xiàn)噪聲信號(hào)和有用信號(hào)的分離。

(1)采煤機(jī)工況的信息診斷。機(jī)載傳感器采集工況信息，并實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)工況信息向運(yùn)輸巷控制器的遠(yuǎn)程傳輸。采煤機(jī)機(jī)載控制器PLC與運(yùn)輸巷集控中心的控制器PLC之間的通信采用異步通訊的方式，運(yùn)輸巷集控中心的PLC為主站，采煤機(jī)機(jī)載控制系統(tǒng)的PLC為從站，保證綜采成套裝備智能控制系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性。運(yùn)輸巷控制系統(tǒng)接收采煤機(jī)工況信息，并過濾、解析和判斷。

(2)液壓支架工況信息診斷。利用電液控制系統(tǒng)對(duì)液壓支架總體監(jiān)控。支架運(yùn)行狀態(tài)包括支架運(yùn)行時(shí)的傳感器參數(shù)和傳感器狀態(tài)，并由支架電液控主機(jī)向運(yùn)輸巷集控中心報(bào)送支架運(yùn)行時(shí)的故障信息。支架運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)主要包括支架傳感器參數(shù)、支架動(dòng)作參數(shù)、支架故障報(bào)警參數(shù)，對(duì)傳感器進(jìn)行動(dòng)作編碼，通過優(yōu)先發(fā)送正在發(fā)生變化的傳感器值及時(shí)判斷故障信息。

(3)輸送裝備故障診斷系統(tǒng)。由運(yùn)輸子系統(tǒng)對(duì)各設(shè)備故障數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、顯示和報(bào)警。聯(lián)鎖自動(dòng)模式下運(yùn)行時(shí)，運(yùn)輸子系統(tǒng)中各設(shè)備必須嚴(yán)格按照逆煤流方向順序啟動(dòng)，并且每臺(tái)設(shè)備啟動(dòng)前均需首先自檢故障，并延時(shí)報(bào)警提示。

在運(yùn)輸巷集控中心安裝隔爆兼本安型集中控制箱，通過該集中控制箱操作面板上的按鈕，可對(duì)輸送裝備各個(gè)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程啟停操作，并能夠通過各個(gè)子設(shè)備上傳的傳感信息和運(yùn)行狀態(tài)信息，智能判斷輸送裝備當(dāng)前所處運(yùn)行狀態(tài)。

4 綜采工作面信息化控制技術(shù)

4.1 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)視與控制系統(tǒng)

(1)液壓支架視頻系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)攝像頭、視頻監(jiān)視器和視頻操作臺(tái)。每4個(gè)支架安裝1臺(tái)網(wǎng)絡(luò)攝像頭，安裝在支架的頂梁上，照射方向與工作面平行。網(wǎng)絡(luò)攝像頭的視頻數(shù)據(jù)通過工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)揭曨l監(jiān)視器顯示，運(yùn)輸巷設(shè)置1臺(tái)視頻監(jiān)視器，可以同時(shí)顯示4路攝像頭，并可跟隨采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)顯示采煤機(jī)附近4個(gè)點(diǎn)的視頻。視頻系統(tǒng)通過通信獲取采煤機(jī)運(yùn)行位置和方向，實(shí)現(xiàn)在視頻顯示器上跟隨采煤機(jī)自動(dòng)切換視頻攝像儀畫面。

(2)采煤機(jī)視頻系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由網(wǎng)絡(luò)攝像頭、視頻監(jiān)視器、視頻操作臺(tái)、安裝電纜及附件等組成。網(wǎng)絡(luò)攝像頭的視頻數(shù)據(jù)通過工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心采煤機(jī)視頻監(jiān)視器顯示，監(jiān)視器顯示1路采煤機(jī)滾筒前的攝像頭，用以識(shí)別煤巖。視頻系統(tǒng)通過通信獲取采煤機(jī)運(yùn)行位置和方向，實(shí)現(xiàn)在視頻顯示器上跟隨采煤機(jī)自動(dòng)切換視頻攝像儀畫面。

(3)監(jiān)控中心。在監(jiān)控中心分別設(shè)置液壓支架遠(yuǎn)程控制臺(tái)和采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制臺(tái)各1臺(tái)。監(jiān)控中心工作人員可以依據(jù)液壓支架視頻系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制支架各種動(dòng)作。監(jiān)控中心工作人員可以通過采煤機(jī)視頻系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制采煤機(jī)，調(diào)整滾筒及牽引等動(dòng)作。

(4)控制中心?？刂浦行闹饕刹僮髋_(tái)、采煤機(jī)工控機(jī)和鍵盤、電液控主機(jī)和鍵盤、視頻監(jiān)視主機(jī)、采煤機(jī)和運(yùn)輸機(jī)操作按鈕及信號(hào)燈組成。控制中心對(duì)地面及井下重要生產(chǎn)崗位實(shí)時(shí)圖像監(jiān)測(cè)，具有優(yōu)先級(jí)分控功能，便于領(lǐng)導(dǎo)調(diào)度指揮，同時(shí)還具有分區(qū)控制功能，不同部門只對(duì)自身范圍內(nèi)的工業(yè)電視進(jìn)行控制，互不影響。

4.2 機(jī)電設(shè)備信息化與數(shù)據(jù)傳輸

(1)工業(yè)以太網(wǎng)傳輸。為了提高煤礦的自動(dòng)化水平，建設(shè)基于工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)的1000 M光纖冗余環(huán)網(wǎng)作為礦井的信息傳輸高速公路，為綜采工作面自動(dòng)化的實(shí)施奠定基礎(chǔ)，生產(chǎn)調(diào)度中心在地面能夠?qū)Ω髯詣?dòng)化系統(tǒng)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)控。

(2)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與4G傳輸技術(shù)。在工作面建立4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸。在采煤機(jī)上安裝本安型無(wú)線交換機(jī)，整個(gè)綜采工作面布置若干臺(tái)本安型無(wú)線交換機(jī)。利用該無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)把采煤機(jī)的參數(shù)信息和控制指令傳輸?shù)蕉祟^無(wú)線交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)機(jī)載控制器、運(yùn)輸巷控制器以及地面遠(yuǎn)程控制器的通信。

(3)綜采工作面數(shù)據(jù)傳輸。將綜采工作面采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、乳化液泵站、噴霧泵站、運(yùn)輸巷帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)及供電系統(tǒng)等有機(jī)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)在運(yùn)輸巷主控計(jì)算機(jī)和地面調(diào)度指揮中心對(duì)綜采工作面設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)以及各種數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，為地面和井下工作面現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)和管理人員提供實(shí)時(shí)的井下工作面生產(chǎn)及安全信息。

(4)通信設(shè)備。工作面語(yǔ)音通信系統(tǒng)主要由綜合接入器等組成，每8個(gè)支架安裝1臺(tái)綜合接入器，具備喊話、設(shè)備啟停預(yù)警、廣播和工作面沿線保護(hù)及閉鎖等功能。在井上安裝智能呼叫終端，通過廣播通信系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的全數(shù)字化井下IP廣播通信，從而實(shí)現(xiàn)井上井下統(tǒng)一指揮、通知和求助。

5 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)棗泉煤礦220704綜采工作面進(jìn)行自動(dòng)化的應(yīng)用，不僅提高了棗泉礦區(qū)的自動(dòng)化水平，也為其他自動(dòng)化工作面的建設(shè)也做出了示范，主要成果如下。

(1)通過在采煤機(jī)、液壓支架及帶式輸送機(jī)上安裝傳感器及攝像頭等實(shí)現(xiàn)了地面對(duì)“三機(jī)”運(yùn)行工況的監(jiān)測(cè)，同時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)參數(shù)等進(jìn)行系統(tǒng)分析判斷，實(shí)現(xiàn)了綜采工作面“三機(jī)”工況自動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障診斷。

(2)研發(fā)并建立了綜采工作面遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)，采用4G網(wǎng)絡(luò)傳輸與通信技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)交換網(wǎng)平臺(tái)、無(wú)線網(wǎng)平臺(tái)與數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)，借助語(yǔ)音通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)音系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了工作面的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)測(cè)與控制以及綜采工作面機(jī)電設(shè)備信息與數(shù)據(jù)的傳輸。

(3)實(shí)現(xiàn)了集視頻、語(yǔ)音、遠(yuǎn)程集中控制為一體的綜采設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制和關(guān)聯(lián)閉鎖等功能，也實(shí)現(xiàn)了開采可視化、生產(chǎn)自動(dòng)化、管理信息化、作業(yè)少人化。

(4)實(shí)現(xiàn)了綜采設(shè)備的聯(lián)動(dòng)，自動(dòng)移架速度低于8 s/架，工作面減員達(dá)到85%，工效提高了40%，網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)低于0.6 ms，工作面月產(chǎn)能達(dá)到50 萬(wàn)t以上。

(5)創(chuàng)建了千萬(wàn)噸礦區(qū)復(fù)雜巨系統(tǒng)的全流程管理信息協(xié)同平臺(tái)，創(chuàng)新開發(fā)并成功應(yīng)用了一體化智慧礦山綜合智能監(jiān)控管理系統(tǒng)。