劉振堅 邱錦波 莊德玉

(1.中煤科工集團上海有限公司，上海市徐匯區(qū)，200030； 2.天地科技股份有限公司上海分公司，上海市徐匯區(qū)，200030)

1 天地科技上海分公司采煤機智能化技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 天地科技上海分公司簡介

天地科技股份有限公司上海分公司(以下簡稱“上海分公司”)是中國煤炭科工集團有限公司控股上市公司天地科技股份有限公司在上海市設(shè)立的科技型企業(yè)，上海分公司作為原國家采煤機械專業(yè)技術(shù)歸口單位和現(xiàn)國家煤礦專用設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化委員會采煤機分會主持單位，是目前國內(nèi)首家擁有自主知識產(chǎn)權(quán)采煤機產(chǎn)品最齊全、功率覆蓋面最大、適應(yīng)開采高度和煤層傾角范圍最廣、主要性能指標(biāo)和技術(shù)參數(shù)最先進、自動化程度最高的采掘技術(shù)裝備服務(wù)商。

作為我國煤礦綜采設(shè)備國產(chǎn)化、自動化和智能化的領(lǐng)軍者，上海分公司取得的關(guān)鍵技術(shù)成果已接近或超越了國際先進水平，創(chuàng)造了多項第一：第一家研制開發(fā)了液壓牽引和交流變頻電牽引二大系列采煤機；第一家研制出多電機驅(qū)動橫向布置采煤機；第一家研制出交流變頻調(diào)速電牽引采煤機；第一家研制出適合大傾角工作面使用的四象限運行交流變頻調(diào)速電牽引采煤機；第一家研制出雙電機驅(qū)動截割部的大功率薄煤層采煤機；第一家研制出用于急傾斜厚煤層水平分層和三下采煤的短壁采煤機；第一家研制出厚煤層大功率電牽引采煤機；第一家研制出采用分布架構(gòu)嵌入式DSP控制系統(tǒng)的采煤機；第一家研制出用于少人或無人工作面使用的自動化采煤機。

上海分公司已開發(fā)形成了采煤機和掘進機兩大類產(chǎn)品。采煤機有23大系列70余種型號產(chǎn)品，能滿足現(xiàn)階段所有機械化采煤工作面的需要；掘進機有6大系列懸臂式掘進機，能滿足各類巷道的掘進需要。

近年來，上海分公司銷售總額及市場占有率一直穩(wěn)居同行業(yè)榜首，公司已生產(chǎn)1000多臺(套)、各型號采煤機和掘進機，在國內(nèi)近362家煤炭生產(chǎn)企業(yè)使用，覆蓋18個國內(nèi)主要產(chǎn)煤省份以及俄羅斯、烏克蘭、土耳其等海外市場。為更好地服務(wù)客戶，上海分公司采取銷售、服務(wù)、倉儲、技術(shù)前移政策，跨前一步、主動對接客戶的難點、痛點，及時提供技術(shù)、服務(wù)解決方案。

目前，上海分公司通過籌資自建和控股改制，逐步改變初期“兩頭在外、中間在內(nèi)”的產(chǎn)業(yè)模式，已形成天地上海采掘裝備科技有限公司和常熟天地煤機裝備有限公司兩大產(chǎn)業(yè)基地，規(guī)模不斷擴大，裝備了先進的加工設(shè)備和檢測設(shè)備，具備年產(chǎn)300套優(yōu)質(zhì)整機產(chǎn)品和相當(dāng)于150套整機的配件生產(chǎn)能力。

1.2 技術(shù)發(fā)展歷程

上海分公司自成立以來，在技術(shù)上不斷尋求突破，經(jīng)歷了單電機縱向、液壓無鏈牽引采煤機，多電機橫向布置、交流變頻電牽引采煤機，大功率、大采高及其他難采煤層四象限交流變頻調(diào)速采煤機，高可靠性、高自動化無人工作面采煤機的技術(shù)發(fā)展歷程，見圖1。

圖1 技術(shù)發(fā)展歷程

1.3 技術(shù)成果

上海分公司先后取得上百項科研成果，承擔(dān)和參與了國家“十一五”、“十二五”、中煤科工集團及天地總公司等科研項目；獲得國家科技進步獎、中國煤炭工業(yè)協(xié)會科學(xué)技術(shù)進步獎等省部級以上獎項31項，并榮獲上海市優(yōu)秀產(chǎn)品二等獎、上海市高新技術(shù)產(chǎn)品等稱號；近10年來共計發(fā)表各類學(xué)術(shù)論文200余篇，獲得專利授權(quán)162項，其中發(fā)明專利9項。

1.4 采煤機控制系統(tǒng)

1.4.1 電控系統(tǒng)發(fā)展歷程

2004年首次開發(fā)應(yīng)用采煤機DSP電控系統(tǒng)，2009年推出第二代DSP電控系統(tǒng)。2010-2011年，在晉城古書院礦開展首個全國產(chǎn)化設(shè)備自動化工面探索實踐，實現(xiàn)了基于表格參數(shù)化的采煤工藝過程記憶和自動化基本功能，成功實現(xiàn)了基于以太網(wǎng)及專用FSK調(diào)制通訊的采煤機平巷及地面遠程操作控制功能。2012-2013年，陸續(xù)在永城、平頂山、兗州等礦區(qū)開展了采煤自動化的實踐；2013-2015年，在煤巖自動識別、搖臂在線故障診斷、采煤機機載視頻、機載兩芯以太網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)方面不斷進行研究和探索，取得了一些初步成果；2015年正式將LASC技術(shù)引進中國，開始在轉(zhuǎn)龍灣礦進行適應(yīng)性驗證項目，2017年初完成國內(nèi)首個LASC自動化工作面項目，期間完成了基于自由曲線模式的采煤機全工藝過程記憶截割自動化功能的驗證；當(dāng)年完成了CSIRO對天地科技股份有限公司的LASC技術(shù)授權(quán)以及對上海分公司的硬件制造授權(quán)；2018年開發(fā)煤機用兩芯千兆以太網(wǎng)通訊產(chǎn)品樣機；2017-2018年，上海分公司采煤機自動化銷售推廣開始爆發(fā)式增長，截至目前已經(jīng)銷售16套LASC系統(tǒng)。

1.4.2 二代DSP電控系統(tǒng)

二代DSP電控系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。在圖2中，紅色是巷道順槽控制系統(tǒng)配置，黑色是采煤機機載電控模塊配置，多個功能模塊分布式布置，相互間通過CAN總線通訊網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。這種嵌入式系統(tǒng)的分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，擴展能力很強，功能模塊根據(jù)工況需要有多種組合方式。

圖2 采煤機控制系統(tǒng)原理框圖

二代DSP電控系統(tǒng)基于CAN總線及分布式工業(yè)以太網(wǎng)等技術(shù)，目前已經(jīng)穩(wěn)定運行10多年，技術(shù)上成熟穩(wěn)定，操作簡單實用。目前該系統(tǒng)累計裝機數(shù)已經(jīng)超過600臺，經(jīng)多年應(yīng)用實踐表明，該系統(tǒng)在控制性能、穩(wěn)定性與可靠性等方面均優(yōu)于基于PLC的采煤機控制系統(tǒng)。

在系統(tǒng)硬件方面，運算指令能力達到4.4億次/s，控制程序掃描時間小于10 ms，可對采煤機中的上百種狀態(tài)參數(shù)和信號進行檢測、控制與保護，支持常見系統(tǒng)故障的診斷，實現(xiàn)智能化在線診斷。通過傳感系統(tǒng)在線監(jiān)測采煤機關(guān)鍵部件的實時運行狀態(tài)及故障信息，在出現(xiàn)嚴(yán)重故障時，對采煤機進行保護，避免損壞采煤機相關(guān)部件，對一些非關(guān)鍵故障實行自動屏蔽與降級運行，通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)可以將狀態(tài)和故障信息實時傳輸?shù)奖O(jiān)控遠端。

1.5 采煤機自動化智能化技術(shù)

1.5.1 機身傳感技術(shù)

(1)滾筒截割高度。安裝旋轉(zhuǎn)角度傳感器，通過精密伺服旋轉(zhuǎn)電位器測量搖臂相對于機身的擺動角度，然后根據(jù)機器幾何尺寸參數(shù)，計算當(dāng)前截割高度。

(2)位置檢測與牽引速度。安裝旋轉(zhuǎn)編碼器，通過檢測牽引行走輪的轉(zhuǎn)動圈數(shù)與角度，定時采樣計算出機器牽引行走的距離與速度。

(3)機身傾角檢測。安裝兩維傾斜傳感器，集成到位于電控箱內(nèi)的模擬量混合輸入模塊內(nèi)部，出廠前相關(guān)傳感器經(jīng)過適當(dāng)?shù)男?zhǔn)后，可直接檢測到機身傾角情況，如圖3所示。

圖3 采煤機傳感技術(shù)示意圖

1.5.2 機載視頻技術(shù)

采煤機安裝了機載超低照度高解析度攝像頭，并配合有LED燈輔助照明。通過采煤機專用視頻監(jiān)控技術(shù)，可在巷道計算機或其他網(wǎng)絡(luò)終端上實時監(jiān)測工作面狀態(tài)，并具有遠程在線操控采煤機功能。

1.5.3 巷道通信技術(shù)

采煤機至順槽巷道的通訊標(biāo)準(zhǔn)配置為FSK載波通訊，通過主電纜控制線的頻分復(fù)用，穩(wěn)定傳輸距離可達500 m以上，指令傳輸延遲11 ms，延時抖動小于1 ms，且支持EIP、工業(yè)以太網(wǎng)TCP/IP、485、CAN等通訊協(xié)議。

巷道通訊可選配采煤機采用動力電纜與光纖傳輸混合通訊傳輸方式，傳輸距離達到2500 m以上。

采煤機支持工作面4G通訊功能，可支持WCDMA/EVDO/TD-SCDMA/FDD-LTE/TD-LTE網(wǎng)絡(luò)，傳輸速度最大可達300 Mbps。

1.5.4 智能記憶截割技術(shù)

上海分公司智能記憶截割系統(tǒng)由截割控制模塊、自動截割軟件包、傳感檢測模塊、配套傳感器(左、右滾筒截割高度傳感器、采煤機牽引速度與工作面位置傳感器、機身傾斜傳感器和位置同步傳感器)等幾部分組成，見圖4。采用自由曲線記憶截割方式，帶端頭工藝支持，滿足復(fù)雜的截割條件，可完全按照實際學(xué)習(xí)的采煤工藝實現(xiàn)兩端頭復(fù)雜的斜切、割三角煤、掃底等自動截割運行。

上海分公司智能記憶截割系統(tǒng)最多可以支持31個截割工藝段的記憶截割控制和各種復(fù)雜工作面的端頭截割工藝，實現(xiàn)了采煤機循環(huán)作業(yè)全過程自動化截割，支持遠程記憶截割學(xué)習(xí)，使學(xué)習(xí)過程簡單化，見圖4。自動運行的采煤機在300 m長的工作面上，其行走位置控制精度優(yōu)于±5 cm，滾筒截割高度的穩(wěn)態(tài)重復(fù)誤差小于±4 cm。

圖4 綜采工作面采煤機割煤工藝示意圖

1.6 互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

1.6.1 技術(shù)簡介

上海分公司采煤機互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用是由工作面采煤機主機網(wǎng)絡(luò)、采煤機到工作面平巷通信網(wǎng)絡(luò)、礦井光纖環(huán)網(wǎng)、遠程互聯(lián)網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用組成的一體化監(jiān)控服務(wù)體系?；ヂ?lián)網(wǎng)應(yīng)用實現(xiàn)了采煤機產(chǎn)品多項創(chuàng)新，如圖5所示。

1.6.2 遠程監(jiān)控與服務(wù)

通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，可遠程使用辦公電腦、平板、手機等終端連接訪問井下工作面采煤機，實時查看監(jiān)控采煤機運行狀態(tài)，并實時跟蹤監(jiān)控工作面生產(chǎn)狀態(tài)。

通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，可以遠程可視化監(jiān)控診斷采煤機狀態(tài)，查詢分析采煤機主控系統(tǒng)、記憶截割系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，為用戶提供端到端的遠程診斷技術(shù)；同時定期檢查采煤機整體工作狀態(tài)，及時為客戶提供維護信息，如圖6所示。

通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，可遠程訪問采煤機系統(tǒng)模塊參數(shù)，根據(jù)井下運行需求靈活配置與優(yōu)化采煤機參數(shù)。

通過采煤機互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，在遠程查看采煤機主控系統(tǒng)模塊接口狀態(tài)，根據(jù)井下應(yīng)用需求實時更新采煤機模塊固件，充分適應(yīng)用戶對煤機應(yīng)用的高端要求和復(fù)雜工藝。

圖5 煤礦互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

圖6 遠程監(jiān)控與服務(wù)

2 LASC技術(shù)

2.1 技術(shù)簡介

澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)院(CSIRO)的LASC系統(tǒng)，是一套基于高精度慣性定位傳感器的先進控制系統(tǒng)，可實時監(jiān)測采煤機三維姿態(tài)，實現(xiàn)工作面自動調(diào)直、開采水平控制、遠程監(jiān)控等功能。天地科技股份有限公司與CSIRO建立技術(shù)合作關(guān)系，上海分公司采煤機電控系統(tǒng)可通過軟件直接集成實現(xiàn)了嵌入式EIP通訊協(xié)議，實現(xiàn)了與LASC系統(tǒng)間的無縫連接。該電控系統(tǒng)已通過兼容性測試，在支持EIP控制通訊標(biāo)準(zhǔn)接口方面，具有國內(nèi)其他廠商難以匹敵的優(yōu)勢。

2.2 應(yīng)用情況

LASC系統(tǒng)通過協(xié)議適配模塊將數(shù)據(jù)傳到交換機，同時大量的采煤機傳感數(shù)據(jù)也是通過協(xié)議適配模塊，集中通過交換機，然后通過不同的通訊方式，傳輸?shù)娇刂婆_上位機。數(shù)據(jù)處理之后，進行反饋，形成閉環(huán)系統(tǒng)，如圖7所示。

2016年，與CSIRO合作的LASC項目在兗州煤業(yè)轉(zhuǎn)龍灣礦開始工業(yè)性實驗，實現(xiàn)了首次在國產(chǎn)采煤機上實現(xiàn)高精度的三維空間定位和運行軌跡的檢測。在實際工況條件下，達到300 m長工作面小于10 cm的定位測量精度，實現(xiàn)軌跡檢測對工作面液壓支架和刮板運輸機自動對齊找直的應(yīng)用支持。上海分公司采煤機智能化應(yīng)用情況匯總見表1。

表1 上海分公司采煤機智能化應(yīng)用情況匯總

3 技術(shù)展望

3.1 上海分公司在研技術(shù)

目前采煤機因煤巖界面自動識別技術(shù)沒有明顯的突破，仍不能實現(xiàn)智能自適應(yīng)截割。隨著技術(shù)的發(fā)展，筆者認為，未來采煤機將是配備高可靠性的視覺、觸覺等感官系統(tǒng)，能自動識別周圍的環(huán)境狀況，并預(yù)知自身元部件運行狀態(tài)；可以與工作面其他設(shè)備進行實時相互通訊，并通過發(fā)達的大腦(智能控制系統(tǒng))處理這些信息，制定并可實時調(diào)整控制策略的采煤機器人，如圖8所示。

(1)聽覺。新研制的振動與噪聲檢測分析裝置，可用于機械傳動系統(tǒng)的故障監(jiān)測，以及煤巖截割振動與噪聲特性在線分析，為實現(xiàn)采煤機的機器聽覺能力，也為搖臂及關(guān)鍵機械傳動系統(tǒng)故障的早期預(yù)判奠定了堅實基礎(chǔ)。

圖8 采煤機智能化技術(shù)發(fā)展示意圖

(2)視覺。隨著工作面及采煤機機載視頻技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)技術(shù)的礦用化應(yīng)用可望成為采煤機智能化技術(shù)新的發(fā)展方向。

(3)非常規(guī)視覺與觸覺。在運行過程中，采煤機截割滾筒、機身頂部可能會與異常動作狀態(tài)的工作面其他設(shè)備產(chǎn)生碰撞，造成設(shè)備損壞及安全事故。自動判斷采煤機運行空間是否有阻擋物及干涉情況，也是采煤機智能化運行的一個關(guān)鍵點。需要發(fā)展適應(yīng)性好的干涉探測雷達、接觸與碰撞檢測傳感系統(tǒng)。

(4)內(nèi)部感知。通過傳感檢測系統(tǒng)，采煤機將可以對自身工作部件狀態(tài)進行感知，并對工作能力、壽命進行評估，實現(xiàn)預(yù)測維護。提示操作人員進行日常維護。當(dāng)部件性能出現(xiàn)異常溫升等狀態(tài)時，進行故障預(yù)診斷保護，提示操作人員維護。

3.2 技術(shù)展望

采煤機運行自動化與智能化是煤炭自動化、智能化開采的核心，加快其關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，是早日實現(xiàn)煤炭智能化高效開采的必然要求。近年來，在國內(nèi)外煤機生產(chǎn)廠家、研究機構(gòu)的不懈努力推動下，采煤機已經(jīng)在自動化方面取得階段性成果，但一些關(guān)鍵技術(shù)仍然不夠成熟，適用性和可靠性尚不能滿足安全高效生產(chǎn)的要求。至少還需要在以下幾個方面對采煤機自動化、智能化技術(shù)加強研究。

(1)智能感知傳感器技術(shù)。加快采煤機機器視覺系統(tǒng)的研究，早日實現(xiàn)可見光、熱紅外、雷達成像技術(shù)和多維立體視覺測量技術(shù)在采煤機上的實用化，推動在線煤巖界面自動識別的技術(shù)的進步。

(2)智能控制軟件。智能化控制是多維度感知與決策的綜合，涉及大量子狀態(tài)、子過程之間交互作用，各系統(tǒng)間緊密耦合，需要研究采用新架構(gòu)、新算法、新技術(shù)保證各控制的精準(zhǔn)高效，并不斷豐富控制功能，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性、擴展性和易用性。

(3)采煤機網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫技術(shù)的研究。包括采煤機與順槽設(shè)備間的高可靠、高帶寬通訊技術(shù)的研究，機內(nèi)智能節(jié)點便捷可靠地實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)研究，發(fā)展基于網(wǎng)絡(luò)的遠程故障診斷、運行優(yōu)化分析技術(shù)。包括可用于采煤機的云端數(shù)據(jù)庫、計算平臺的研究。

(4)控制安全技術(shù)。復(fù)雜智能控制軟件可能存在的潛在不確定性導(dǎo)致工作異常設(shè)備失控情況，在智能控制領(lǐng)域并不少見。通過網(wǎng)絡(luò)的遠程訪問和操作控制采煤機，所面臨的安全風(fēng)險，亟需研究相關(guān)控制網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)。

4 結(jié)語

煤炭的綠色安全高效利用是煤炭行業(yè)的發(fā)展方向和大勢所趨。天地科技上海分公司肩負著“讓煤炭生產(chǎn)更安全、更高效、更清潔”的使命，秉承“成就客戶、合作共贏”的核心價值觀，努力弘揚“創(chuàng)新、誠信、堅韌、合作”的企業(yè)精神，懷著“引領(lǐng)中國煤機、塑造世界品牌”的愿景，積極投身于智慧礦山建設(shè)和采煤機智能化發(fā)展研發(fā)。

本文通過介紹天地科技上海分公司采煤機智能化技術(shù)現(xiàn)狀和實踐應(yīng)用情況，以及深入分析LASC技術(shù)的優(yōu)勢和技術(shù)研發(fā)展望，目的是推動智慧礦山建設(shè)和煤炭行業(yè)科技進步。