吳家樂

（國家能源集團神東煤炭集團設(shè)備管理中心，陜西 神木 719315）

1 智能綜采工作面建設(shè)項目

1.1 精確的三維地質(zhì)模型

以礦井地質(zhì)勘探鉆孔和切眼、回撤通道及兩順槽巷道等實測地質(zhì)信息為基礎(chǔ)，構(gòu)建工作面三維初始模型，在工作面起伏較大的區(qū)域，從回風順槽向運輸順槽打定向鉆孔或采用物探的方法勘探工作面的頂?shù)装迕簬r分界線，用煤巖分界線、每圓班測量人員對工作面的測量數(shù)據(jù)對三維初始模型進行修正，生成精確的三維地質(zhì)模型。

1.2 自主智能割煤功能

通過對比工作面精確三維地質(zhì)模型和實測模型，在綜合分析煤層變化趨勢、工作面平直度、當前割頂?shù)浊闆r、采煤機運行等大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，一是通過優(yōu)化算法制定未來10刀的割煤策略，給出采煤機下一刀滾筒調(diào)整曲線，指導(dǎo)采煤機割煤即為自主智能割煤；二是通過在電控系統(tǒng)中記錄示范刀搖臂高度及其變化曲線，在每個割煤循環(huán)中重復(fù)記憶刀軌跡，實現(xiàn)記憶割煤；三是通過分析歷史截割數(shù)據(jù)，識別煤層變化規(guī)律，預(yù)測下一刀的截割軌跡；先預(yù)測，后截割，自學(xué)后再預(yù)測、再截割，循環(huán)往復(fù)，實現(xiàn)預(yù)測割煤功能。

1.3 跟機自動化

液壓支架通過既定程序并根據(jù)采煤機在割煤工藝中的位置與牽引方向所實現(xiàn)的與之匹配的自主收打護幫、降柱、移柱、升柱、推溜、噴霧等動作的過程。

1.4 集控中心遠程控制系統(tǒng)

包括順槽集控中心和地面集控中心。順槽集控中心位于綜采工作面順槽內(nèi)，具備各類展示、操控及數(shù)據(jù)交互功能，并可實現(xiàn)對各受控設(shè)備的集中監(jiān)測、控制。地面集控中心位于地面，由各類展示、操控及數(shù)據(jù)交互設(shè)備構(gòu)成，可實現(xiàn)對綜采工作面各受控設(shè)備的集中監(jiān)測、控制。操作人員在順槽集控中心或地面集控中心對正在運行的采煤機、液壓支架及其他工作面設(shè)備進行遠程操作。

1.5 三維激光巡檢掃描機器人

機器人搭載三維激光掃描裝置和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，通過其紅外及可見光雙視攝像儀、拾音器，代替人的“眼耳皮膚”，自動識別工作面設(shè)備發(fā)熱、異響等問題，平時自動巡航，異常情況下可報警由人工遠程控制，實現(xiàn)代人巡查。

1.6 電纜自動拖拽裝置

鋪設(shè)在綜采工作面刮板運輸機電纜槽內(nèi)，通過獲取采煤機運行方向、運行速度與機身位置等數(shù)據(jù)，對拖纜速度進行自動控制的裝置，可避免采煤機電纜出槽或多層疊加。

2 智能綜采工作面設(shè)備技術(shù)要求

2.1 采煤機

應(yīng)具有感應(yīng)功能、運動功能及輔助功能。其中，機身傾角傳感器、搖臂擺角傳感器、位置檢測傳感器（編碼器），實現(xiàn)采煤機姿態(tài)檢測，滾筒高度測量，精確定位的功能，能夠配合智能控制系統(tǒng)達到記憶割煤、自主智能割煤。運動系統(tǒng)包括慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、防干涉碰撞功能、遠程和就地急停、閉鎖控制功能，在遠程干預(yù)模式下，通訊中斷，采煤機可自動停機；輔助系統(tǒng)應(yīng)有電纜自動拖拽裝置、有線和無線通信功能，且數(shù)據(jù)上傳和遠程控制功能，遠程控制響應(yīng)時間小于100ms和自動注油功能。

2.2 液壓支架

主要起支撐作用，對于壓力、位置、姿態(tài)等要求敏感，因此，應(yīng)具有壓力傳感器、位移傳感器、傾角傳感器、采高傳感器，支架控制器接收到煤機運行狀態(tài)、傳感器數(shù)據(jù)和動作數(shù)據(jù)等信息后，上傳至集控平臺，實時顯示支架壓力、位移、傾角、采高等信息，可由系統(tǒng)自動判斷并自動找直、調(diào)偽斜，且要求調(diào)直控制誤差在500mm以內(nèi)；也可由人工遠程控制就地急停、閉鎖控制功能，遠程控制響應(yīng)時間不大于200ms。液壓支架跟機自動化率應(yīng)不小于85%，遠程人工干預(yù)率應(yīng)小于20%。

輔助功能應(yīng)具有工作面中部跟機自動化功能；壓力監(jiān)測、自動補壓功能；人員安全保護功能，定位精度在500mm以內(nèi)；宜具有工作面兩端頭跟機自動化功能。

2.3 三機和自移機尾

三機應(yīng)具有順序啟停、連鎖、閉鎖控制功能；啟動語音報警功能；煤量檢測功能，實現(xiàn)煤流自適應(yīng)調(diào)速。

2.4 泵站和供電系統(tǒng)

泵站應(yīng)具有遠程控制功能，遠程控制響應(yīng)時間不大于100ms；應(yīng)具有液壓介質(zhì)質(zhì)量在線監(jiān)測功能，遠程供液、配液控制功能，單臺泵站和多臺泵組的啟動和停止控制功能。

供電系統(tǒng)應(yīng)具有供電回路分、合閘遠程控制功能；負荷運行參數(shù)監(jiān)測功能；過流、漏電、接地保護功能；電壓降監(jiān)測功能。薄煤層工作面應(yīng)使用微型燈具，便于降低采高。

2.5 通信網(wǎng)絡(luò)與視頻系統(tǒng)

智能工作面建設(shè)依賴于高速網(wǎng)絡(luò)和清晰視頻，因此，對網(wǎng)絡(luò)和視頻系統(tǒng)有更高要求。千兆以太環(huán)網(wǎng)是基礎(chǔ)；移動語音通訊、人員精確定位、網(wǎng)絡(luò)視頻通話功能是必備；還應(yīng)具有工控網(wǎng)絡(luò)安全防護功能；符合《 智慧礦山信息系統(tǒng)通用技術(shù)規(guī)范》（GBT 34679-2017）中的相關(guān)要求。

視頻系統(tǒng)應(yīng)具有全工作面視頻監(jiān)控及采煤機全景動態(tài)監(jiān)控功能，視頻可跟機切換；宜具有對工作面設(shè)備與人員識別功能、對工作面設(shè)備異常情況的抓拍功能、對工作面大塊煤的識別功能、對大采高支架護幫板的動作識別功能。

2.6 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

實時精確定位采煤機運行軌跡，監(jiān)測煤機機身姿態(tài)并在主控計算機上顯示檢測誤差不超過50mm。

2.7 三維掃描巡檢機器人

主要負責工作面狀態(tài)實時掃描傳輸，因此，應(yīng)具有生成點云數(shù)據(jù)功能，自動建立工作面數(shù)字化模型且掃描誤差應(yīng)不超過200mm。還應(yīng)具有高清視頻采集功能、紅外熱成像功能，聲音采集功能和無線控制功能。

2.8 順槽集控中心

是智能工作面的核心之一，應(yīng)具有對綜采工作面設(shè)備運行狀況監(jiān)控、數(shù)據(jù)集成、故障診斷、人員位置顯示、全方位對講和快捷鍵功能，達到集中控制、自動化控制目的；其數(shù)據(jù)傳輸以工業(yè)以太網(wǎng)、無線網(wǎng)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸功能。

3 智能綜采工作面建設(shè)的技術(shù)改進

3.1 視頻監(jiān)測信號的捕捉、傳輸和顯示

可在膠帶機機頭安裝防爆攝像頭，將攝像頭IP修改為預(yù)定的地址，將攝像頭通過網(wǎng)線和膠帶機控制器內(nèi)放的交換機連接，并經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，將電信號轉(zhuǎn)換成光信號后，通過順槽鋪設(shè)的光纜傳輸至工作面的光電轉(zhuǎn)換，再將信號轉(zhuǎn)換成電信號后，經(jīng)交換機和網(wǎng)線傳輸至電腦，電腦內(nèi)部預(yù)裝的視頻監(jiān)測軟件IVMS4200將視頻信號捕捉，經(jīng)顯示控件將畫面在電腦顯示器上進行顯示。

3.2 控制指令的輸入、傳輸和執(zhí)行

在工作面辦公電腦上安裝一款自行設(shè)計的膠帶機控制軟件（結(jié)合順槽膠帶機實際情況進行設(shè)計的軟件），該軟件有一個人機交互界面，界面中給每一部膠帶機設(shè)置一個啟動按鈕和停止按鈕，當工作面需要啟動某一部膠帶機時，點擊相應(yīng)膠帶機的啟動按鈕，軟件將啟動信號通過與電腦相連接的交換機和光電轉(zhuǎn)換傳輸出去，經(jīng)光纖傳輸?shù)侥z帶機控制器中安裝的光電轉(zhuǎn)換和交換機，交換機接收到信號后將信號傳送給網(wǎng)絡(luò)控制器，網(wǎng)絡(luò)控制器相應(yīng)的輸出口的常開節(jié)點閉合，即膠帶機的遠控點閉合，膠帶機開始預(yù)警啟動。同理，當工作面需要停止某一部膠帶機時，點擊人機交互界面的停止按鈕，網(wǎng)絡(luò)控制器的相應(yīng)的輸出口節(jié)點（已經(jīng)閉合的常開接點）斷開，膠帶機停止運行。

3.3 掘進智能局部通風

礦井智能局部通風系統(tǒng)是為煤礦的安全生產(chǎn)需要提供的一種一機多用、高效節(jié)能的自動控制裝置，它實現(xiàn)了礦井局部通風控制系統(tǒng)與局部通風機的融合，同時，系統(tǒng)配套局部通風機通過特殊設(shè)計，配套相應(yīng)的監(jiān)測傳感器，和其他監(jiān)測信號一起接入PLC自動控制系統(tǒng)，進行閉環(huán)控制，改變了國內(nèi)局部通風機運行沒有有效監(jiān)測監(jiān)控的現(xiàn)狀，把礦井有效管理和設(shè)備安全高效運行有機地結(jié)合起來，從而改變了礦井掘進工作面受瓦斯造成的危害，在提高了設(shè)備的安全運行的同時，也保證了礦井安全高效地生產(chǎn)。

3.4 智能集中控制系統(tǒng)

在智能集中控制中心，對井下供電系統(tǒng)、供排水系統(tǒng)、主通風系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)實現(xiàn)遠程控制。實現(xiàn)值班人員在集控室值班。第一步實現(xiàn)機電隊遠程監(jiān)控各自責任區(qū)水泵、增壓泵等泵類設(shè)備運轉(zhuǎn)情況并可實現(xiàn)遠程啟停，逐步實現(xiàn)主運膠帶機、順槽膠帶機調(diào)度控制轉(zhuǎn)移到集控中心控制。安裝智能分析系統(tǒng)，對危險區(qū)域人員入侵、皮帶跑偏、堆煤、煙霧、初期火災(zāi)等狀態(tài)進行實時監(jiān)測、彈窗報警并聯(lián)動停機。

（1）搭建部署安全生產(chǎn)巡檢平臺，將生產(chǎn)巡檢監(jiān)控資源進行統(tǒng)一接入和集中管理，并自下而上地打通煤礦至調(diào)度中心，安全生產(chǎn)巡檢視頻、數(shù)據(jù)信息壁壘。

（2）借助AI技術(shù)，通過視頻檢測分析的技術(shù)手段，實現(xiàn)跑偏檢測、堆煤檢測、張緊輪位移檢測、煤矸檢測、異物檢測、大塊煤識別、煤量分析以及電氣設(shè)備溫度檢測等功能，將膠帶機司機從高噪、粉塵環(huán)境中解放出來，提升“安全生產(chǎn)、減員增效”業(yè)務(wù)層級；還可以對人員崗位行為分析、安全行為分析、人臉分析等。

（3）在安全生產(chǎn)巡檢平臺和視頻AI技術(shù)的基礎(chǔ)上，完成安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)匯總；采集素材進行復(fù)雜嚴苛條件下的工藝流程檢測。

（4）輕量級數(shù)據(jù)分析功能，針對無人巡檢過程中采集的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進行比對、關(guān)聯(lián)、統(tǒng)計等輕量級分析功能，為煤礦生產(chǎn)數(shù)據(jù)融合分析提供分析模型。

（5）應(yīng)用熱成像檢測技術(shù)，對機電設(shè)備運行異常易造成皮帶抱死、損壞，嚴重的導(dǎo)致機組非計劃停運，人員與財產(chǎn)損失。電氣設(shè)備故障在發(fā)展和形成過程中絕大多數(shù)與發(fā)熱溫升緊密相連。紅外熱成像診斷技術(shù)通過非接觸方式檢測運行中的設(shè)備溫度和運行狀態(tài)，可以簡捷、安全、直觀、準確地查找、判斷電氣設(shè)備過熱故障，迅速采取措施解決防止電氣事故的發(fā)生。結(jié)合紅外熱像儀在電氣設(shè)備故障診斷中的一些實際應(yīng)用，紅外熱成像檢測診斷技術(shù)為發(fā)電廠電氣設(shè)備精細化點檢和維修提供有力依據(jù)，及時將電氣事故消滅在萌芽狀態(tài)，有效避免了電氣異常事件或事故的發(fā)生。

3.5 輔助自動化系統(tǒng)

（1）車輛智能管理系統(tǒng)。本方案主要針掘進順槽進行設(shè)計，由車輛管理平臺、車輛管理服務(wù)器，人員定位分站、人員定位服務(wù)器、紅綠燈LED屏組成。

車輛管理平臺和人員定位系統(tǒng)服務(wù)器通訊，人員定位系統(tǒng)自動將車輛數(shù)據(jù)推送給車輛管理服務(wù)器。車輛管理服務(wù)器將巷道中車輛數(shù)據(jù)下發(fā)給井下LED屏和紅綠燈。

系統(tǒng)原理：第一步：通過在巷道內(nèi)安裝兩臺人員定位分站，利用人員定位分站判斷巷道中的柴油車數(shù)量，并將數(shù)據(jù)提供給車輛管理服務(wù)器。第二步：根據(jù)人員定位提供的數(shù)據(jù)，車輛管理服務(wù)器自動將柴油車數(shù)量下發(fā)給井下LED屏和紅綠燈，管控進出車輛。

（2）供電自動化系統(tǒng)。智能供電自動化系統(tǒng)擴大了對井下系統(tǒng)和設(shè)備的監(jiān)視范圍，使系統(tǒng)和設(shè)備運行可視化，同時，通過對井下設(shè)備的遠程控制和遠程維護更好地支持變電站的無人值班和無人值守。

主要包括：①系統(tǒng)運行狀態(tài)可視化，不僅可以監(jiān)視電壓、電流、功率和開關(guān)位置等，還可以監(jiān)視系統(tǒng)的諧波、電能質(zhì)量、電度計量等；②一次設(shè)備運行狀態(tài)可視化，主要包括防爆開關(guān)的溫度、分閘動作時間等；③二次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的狀態(tài)可視化，主要包括保護裝置的自檢情況、網(wǎng)絡(luò)通訊狀態(tài)、交換機和交換機電源的狀態(tài)等；④系統(tǒng)故障的可視化，即在系統(tǒng)發(fā)生短路故障尤其是跳閘后提供清晰完整的記錄和數(shù)據(jù)，如故障類型、故障時間、故障值、故障錄波波形等，從而便于檢修人員盡快確定并排除故障；⑤強化設(shè)備的遠程控制與維護，即在地面監(jiān)控中心實現(xiàn)井下開關(guān)遙控操作、保護功能投退、定值的遠方調(diào)閱和修改、參數(shù)的遠程配置等。實現(xiàn)全面可視化是提高供電系統(tǒng)安全性的前提和基礎(chǔ)。

（3）采煤自動化系統(tǒng)。智能供電系統(tǒng)把全供電網(wǎng)絡(luò)作為一個整體，自動協(xié)調(diào)工作，準確應(yīng)對系統(tǒng)發(fā)生的各種問題：①利用通訊技術(shù)采用“先定位后跳閘”策略實現(xiàn)短路故障的防越級和系統(tǒng)操作防越級；②利用注入式信號源技術(shù)實現(xiàn)單相接地/漏電的準確選線，減少不必要的拉閘停電。準確及時的自動化功能是提高系統(tǒng)供電可靠性的主要手段。

智能供電系統(tǒng)的設(shè)備采用標準以太網(wǎng)接口并遵循國際通用的IEC61850標準，在該標準的前提下，實現(xiàn)智能拓撲分析和自動著色、操作的聯(lián)閉鎖、潮流分析與設(shè)備檢測、定值的合理性校驗、參數(shù)的自動化配置、智能綜合告警等高級智能化功能。智能化標準化可以提高系統(tǒng)運行效率，進而改善系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

（4）供排水自動化系統(tǒng)。要實現(xiàn)沿線水倉全部自動化排水。各水倉實行自動控制及運行參數(shù)自動檢測、遠程控制，動態(tài)就地顯示，并將數(shù)據(jù)信息傳送到地面生產(chǎn)調(diào)度中心和生產(chǎn)設(shè)備控制中心，進行實時監(jiān)測監(jiān)控及報警顯示、故障歷史查詢和報表打印。

①系統(tǒng)通過檢測電機電流、電機電壓等參數(shù)，監(jiān)視水泵工作狀態(tài)，直觀、形象、實時地反映系統(tǒng)工作狀態(tài)并能進行控制。

②實現(xiàn)水倉水位、水泵溫度、排水管流量等參數(shù)接口接入及電動閘閥的控制接口輸出，實現(xiàn)不同地點排水設(shè)置不同的控制方式。

③通過以太網(wǎng)通訊接口與地面網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。該系統(tǒng)具有運行可靠、操作方便、自動化程度高等特點。

3.6 井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)覆蓋延伸聯(lián)網(wǎng)功能

基于4G無線通信技術(shù)的“一網(wǎng)一站”系統(tǒng)可實現(xiàn)對定位、通信、監(jiān)測監(jiān)控、廣播、調(diào)度、自動化等系統(tǒng)的統(tǒng)一接入、統(tǒng)一承載、統(tǒng)一管理。

采用先進的工業(yè)以太網(wǎng)標準通信協(xié)議，系統(tǒng)可實現(xiàn)遠程、跨網(wǎng)通信，系統(tǒng)實現(xiàn)了良好的擴展能力，可為井下工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)、視頻監(jiān)控、井下傳感器數(shù)據(jù)傳輸提供網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接口，可連接井下數(shù)字廣播系統(tǒng)、數(shù)字攝像機、可編程數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備等。

借助工業(yè)環(huán)網(wǎng)，在不需要重復(fù)建設(shè)通信線路的情況下，實現(xiàn)井下無線手機移動通訊。該系統(tǒng)可方便實現(xiàn)井上與井下、井下與井上的移動手機通話，可接入煤礦調(diào)度網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)手機與固定電話（網(wǎng)）的相互通訊。并可以對礦井入井人員、車輛進行實時跟蹤監(jiān)測和較高精度定位，隨時清楚掌握每個人員、車輛在井下的準確位置及活動軌跡。利用系統(tǒng)的日?？记诠芾砉δ?，對下井人員進行考勤管理。

3.7 應(yīng)急救援

如果發(fā)生井下災(zāi)害，調(diào)度可以立即從監(jiān)控計算機上查詢事故現(xiàn)場的人員具體位置分布情況、被困人員數(shù)量和他們的姓名、調(diào)用入井人員撤退線路預(yù)案等信息，為事故搶險提供科學(xué)依據(jù)。此系統(tǒng)能夠承擔起應(yīng)急救援的通信任務(wù)。井下設(shè)備在斷電情況下可連續(xù)工作2個多小時，工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以提供極高的可靠性和網(wǎng)絡(luò)生存能力，使網(wǎng)絡(luò)在任何災(zāi)害發(fā)生時盡可能通暢。