综采工作面“三机”故障诊断系统与信息化控制技术研究及其应用

马 昆

(国家能源集团宁夏煤业枣泉煤矿，宁夏自治区银川市，751411)

20世纪80年代，美国和澳大利亚等国家的煤矿开始采用计算机技术、大功率变频牵引采煤机控制技术、液压支架电液控制技术、刮板输送机软启动和变频技术，逐步实现了采煤工作面少人操作和自动化采煤。澳大利亚的基于陀螺仪导向定位的自动化采煤方法，其控制对象是“三机”为主的全工作面自动化控制，采用控制中心+控制器+工业现场总线的控制技术，自动化程度较高。我国以国家能源集团神东公司和宁夏煤业公司为代表的综采工作面自动化技术研究取得了长足的进步，实现了采煤机重复记忆割煤、支架自动跟机拉架、远程干预等，大大降低了工人的劳动强度，实现了较高程度的自动化生产。

就我国智能生产技术成熟度而言，目前智能生产技术成熟度初步评估为67%左右，其中综采设备人工智能技术总体评估为70%，综掘设备人工智能技术总体评估为42%。一方面表现为采煤机的煤岩识别、液压支架的倾斜调节、巷道的掘进和支护、辅助运输和工程方面的自动化和智能化水平不高；另一方面是复杂条件下矿井生产的采掘失调矛盾突出，快速掘进类智能化技术和设备发展缓慢。

当前，智能技术已相对成熟，完全可以实现“有人巡视，无人值守”，目前需要观念上的突破和应用上的细化。枣泉煤矿煤层赋存地质条件复杂，在自动化开采上尚属空白，面对枣泉煤矿存在的倾角大、地应力大、采后动压大、防灭火压力大、断层多、地温高以及施工条件复杂等特点，研究自动化控制技术的突破原则为单项研究，从易到难，从机械化到自动化再到智能化。

目前，枣泉煤矿同国内大多数煤矿一样，工作面自动化控制对象是以“三机”、带式输送机、泵站等局部综采设备单一集控为主，采用控制器+工业现场总线的控制技术多是在单个设备或功能自动控制基础上增加了工作面所有设备的联动过程，自动化控制程度较低。因此，研究综采工作面的自动化控制技术体系以及机电设备故障诊断系统与自动化控制技术体系对提高矿井工作面生产效率和安全生产指标具有重要意义。

1 项目背景

枣泉煤矿220704综采工作面位于枣泉煤矿工业广场东北方向，隶属于22采区，主采7#煤层，工作面走向长为2093～2135 m(平均为2114 m)，倾斜长为178～188 m(平均为183.7 m)。工作面正常涌水量约为80 m3/h，最大涌水量约为120 m3/h，瓦斯绝对涌出量约为2.60 m3/min。煤尘具有爆炸性，爆炸指数为34.66%，属于一类容易自燃煤层，最短自燃发火期鉴定为35 d。此井田无地温热害现象，无冲积地压。

煤炭企业为了提高煤炭资源的开采效率，加大了依靠综采自动化技术进行煤矿开采的力度。国家能源集团宁夏煤业公司对煤矿安全高效开采非常重视并积极调研，旨在为煤矿开采研究一条最佳的技术途径。采掘工作面是煤矿开采的关键环节，作业人员占所有井下作业人员的50%以上，然而发生在采掘工作面的煤矿重特大事故占70%左右，因此实现采掘工作面的智慧开采是目前煤矿开采面临的重大课题。研究综采工作面自动化控制技术、增强设备的故障诊断和信息化控制技术，从安全发展来看能够有效减少井下人员，实现矿井的智能管理，有效规避风险并降低成本；从开发战略来看，有利于提升煤炭的产量和资源利用率；从技术层面看，对枣泉矿区实现长周期安全高效生产具有重要意义。

2 综采工作面自动化控制技术体系构建

以实现综采工作面生产可视化、控制远程网络化、信息共享化、常态作业无人(少人)化、安全标准化、企业效益最大化为目标，以采煤机记忆截割、液压支架跟机作业自动化及与围岩耦合智能控制、综采设备联动控制机电设备运行工况智能监测控制以及可视化远程监控为基础，以生产系统自动化控制软件为核心，建立综采工作面“无人操作、有人巡视”的自动化无人开采生产模式。

综采工作面自动化控制技术体系主要有综采工作面装备选型设计与配套方案优化、综采工作面装备自动化控制技术、综采工作面“三机”故障诊断系统与信息化控制技术三大部分组成。前两部分技术较为成熟。

综采工作面“三机”故障诊断系统与信息化控制技术采用信息化控制技术，搭建综采工作面远程监控系统平台，对综采工作面关键设备及工况进行远程监视、“三机”联动控制、故障诊断、保护和联锁，完成割煤、推溜、移架、装煤、拖缆和运输等自动化生产流程，实现综采工作面少人化、无人化开采，确保井下生产安全、高产、高效。

3 综采工作面“三机”故障诊断技术

3.1 “三机”运行工况自动监测

在综采工作面无线交换网络平台和已有煤矿井下有线工业以太网平台的基础上，通过“三机”集控主机，实现电牵引采煤机、电液支架主控制器、工作面输送设备的集中控制。通过工作面视频监控，实现对采煤工作面的无死角监控，通过设置在运输巷的综采自动化监控中心实现工作面三级系统的集中监测与控制，并通过工业以太网平台在地面监控中心实现对工作面自动化系统的远程监控。“三机”运行工况自动监测总体监控方案如图1所示。

3.2 “三机”运行工况故障诊断

综采工作面故障诊断具有几个方面的特点：一是工作面的环境条件恶劣，如粉尘、温度、湿度等，这将影响监测点感知元件的敏感性；二是工作面具有大量机电设备，电磁干扰比较严重，对采集的数据传输有一定影响；三是工作面综采设备需要连续运行，并且随着回采方向移动，要求诊断系统具有更高的灵活性和可靠性。

图1 “三机”运行工况自动监测总体监控方案

根据无人值守工作面的技术要求，为了实现工况实时监测及故障诊断和各监测分站的数据交换功能，设计的“三机”运行工况实时监测及故障诊断流程如图2所示。

图2 “三机”运行工况实时监测及故障诊断流程

由图2可以看出，该流程包括数据初始化、系统自诊断、读取各监测分站的监测和诊断数据、预警判断、报警判断、修改报警值、人机界面控制、按键识别和向上位机传送监测和诊断数据等。针对冲击干扰和高斯白噪音干扰，基于小波包变换理论，以信号能量-相关性为评价指标，对噪声信号和有用信号进行区分，实现噪声信号和有用信号的分离。

(1)采煤机工况的信息诊断。机载传感器采集工况信息，并实现采煤机工况信息向运输巷控制器的远程传输。采煤机机载控制器PLC与运输巷集控中心的控制器PLC之间的通信采用异步通讯的方式，运输巷集控中心的PLC为主站，采煤机机载控制系统的PLC为从站，保证综采成套装备智能控制系统的可靠性和实时性。运输巷控制系统接收采煤机工况信息，并过滤、解析和判断。

(2)液压支架工况信息诊断。利用电液控制系统对液压支架总体监控。支架运行状态包括支架运行时的传感器参数和传感器状态，并由支架电液控主机向运输巷集控中心报送支架运行时的故障信息。支架运行状态参数主要包括支架传感器参数、支架动作参数、支架故障报警参数，对传感器进行动作编码，通过优先发送正在发生变化的传感器值及时判断故障信息。

(3)输送装备故障诊断系统。由运输子系统对各设备故障数据进行采集、显示和报警。联锁自动模式下运行时，运输子系统中各设备必须严格按照逆煤流方向顺序启动，并且每台设备启动前均需首先自检故障，并延时报警提示。

在运输巷集控中心安装隔爆兼本安型集中控制箱，通过该集中控制箱操作面板上的按钮，可对输送装备各个设备进行远程启停操作，并能够通过各个子设备上传的传感信息和运行状态信息，智能判断输送装备当前所处运行状态。

4 综采工作面信息化控制技术

4.1 远程视频监视与控制系统

(1)液压支架视频系统。该系统包括网络摄像头、视频监视器和视频操作台。每4个支架安装1台网络摄像头，安装在支架的顶梁上，照射方向与工作面平行。网络摄像头的视频数据通过工业以太网网络传输到视频监视器显示，运输巷设置1台视频监视器，可以同时显示4路摄像头，并可跟随采煤机运动显示采煤机附近4个点的视频。视频系统通过通信获取采煤机运行位置和方向，实现在视频显示器上跟随采煤机自动切换视频摄像仪画面。

(2)采煤机视频系统。该系统主要由网络摄像头、视频监视器、视频操作台、安装电缆及附件等组成。网络摄像头的视频数据通过工业以太网网络传输到监控中心采煤机视频监视器显示，监视器显示1路采煤机滚筒前的摄像头，用以识别煤岩。视频系统通过通信获取采煤机运行位置和方向，实现在视频显示器上跟随采煤机自动切换视频摄像仪画面。

(3)监控中心。在监控中心分别设置液压支架远程控制台和采煤机远程控制台各1台。监控中心工作人员可以依据液压支架视频系统远程控制支架各种动作。监控中心工作人员可以通过采煤机视频系统远程控制采煤机，调整滚筒及牵引等动作。

(4)控制中心。控制中心主要由操作台、采煤机工控机和键盘、电液控主机和键盘、视频监视主机、采煤机和运输机操作按钮及信号灯组成。控制中心对地面及井下重要生产岗位实时图像监测，具有优先级分控功能，便于领导调度指挥，同时还具有分区控制功能，不同部门只对自身范围内的工业电视进行控制，互不影响。

4.2 机电设备信息化与数据传输

(1)工业以太网传输。为了提高煤矿的自动化水平，建设基于工业以太网交换机的1000 M光纤冗余环网作为矿井的信息传输高速公路，为综采工作面自动化的实施奠定基础，生产调度中心在地面能够对各自动化系统机电设备进行集中监控。

(2)无线网络与4G传输技术。在工作面建立4G移动网络传输系统，实现所有数据实时传输。在采煤机上安装本安型无线交换机，整个综采工作面布置若干台本安型无线交换机。利用该无线传输网络把采煤机的参数信息和控制指令传输到端头无线交换机，实现采煤机机载控制器、运输巷控制器以及地面远程控制器的通信。

(3)综采工作面数据传输。将综采工作面采煤机、液压支架、刮板输送机、转载机、破碎机、乳化液泵站、喷雾泵站、运输巷带式输送机控制系统及供电系统等有机结合起来，实现在运输巷主控计算机和地面调度指挥中心对综采工作面设备的远程监测以及各种数据的实时显示，为地面和井下工作面现场的生产和管理人员提供实时的井下工作面生产及安全信息。

(4)通信设备。工作面语音通信系统主要由综合接入器等组成，每8个支架安装1台综合接入器，具备喊话、设备启停预警、广播和工作面沿线保护及闭锁等功能。在井上安装智能呼叫终端，通过广播通信系统软件实现统一的全数字化井下IP广播通信，从而实现井上井下统一指挥、通知和求助。

5 结语

通过对枣泉煤矿220704综采工作面进行自动化的应用，不仅提高了枣泉矿区的自动化水平，也为其他自动化工作面的建设也做出了示范，主要成果如下。

(1)通过在采煤机、液压支架及带式输送机上安装传感器及摄像头等实现了地面对“三机”运行工况的监测，同时对监测参数等进行系统分析判断，实现了综采工作面“三机”工况自动监测与故障诊断。

(2)研发并建立了综采工作面远程监控系统平台，采用4G网络传输与通信技术、工业以太网交换网平台、无线网平台与数据传输等技术，借助语音通信系统和网络语音系统实现了工作面的远程视频监测与控制以及综采工作面机电设备信息与数据的传输。

(3)实现了集视频、语音、远程集中控制为一体的综采设备联动控制和关联闭锁等功能，也实现了开采可视化、生产自动化、管理信息化、作业少人化。

(4)实现了综采设备的联动，自动移架速度低于8 s/架，工作面减员达到85%，工效提高了40%，网络传输延时低于0.6 ms，工作面月产能达到50 万t以上。

(5)创建了千万吨矿区复杂巨系统的全流程管理信息协同平台，创新开发并成功应用了一体化智慧矿山综合智能监控管理系统。