正利煤矿综采工作面全系统智能化控制的实现

刘凤伟，任文永，李继忠，张永康，张耀明，王宏伟，闫孝姮

（1．山西焦煤集团 岚县正利煤业有限公司，山西 吕梁035200；2．太原理工大学 科学技术研究院，山西 太原030024；3．辽宁工程技术大学 电气与控制工程学院，辽宁 葫芦岛125105）

我国传统煤炭开采的主要方式为综合机械化采煤，由采煤工人对每个设备进行单独手动控制，单纯依靠大量人工手动操作难以满足开采要求，存在着效率低、人员数量及安全等问题[1-4]。所以国内煤炭企业越来越关注生产自动化，自动化工作面的应用保证了煤炭开采质量，降低工人劳动强度，提高生产效率[5-7]，但我国煤矿工作面自动化控制技术刚刚起步，目前仅在单机设备上实现自动化功能，并不能形成完整的系统[8-10]。鉴于此，提出了综采工作面全系统智能化控制方案。

1 控制系统的功能实现

综采工作面智能化控制系统主要由集控中心及各个子系统组成。主要实现综采系统“一键”启停，采煤机记忆割煤，液压支架自动跟机；并实现采煤机、刮板运输机、转载机、破碎机、液压支架、泵站等综采设备的巷道集中控制和巷道、地面的集中监测。

1）集控中心。工作面巷道监控中心是整个自动化工作面的核心，包括：集控台、视频主机、日志主机、数据处理主机（客户端、采煤机、刮板机、转载机、破碎机、带式输送机、泵站、供电系统等的数据采集系统）、综合接入器、交换机等系统组成。主要实现对采煤机工况监测与远程自动控制、对液压支架工况监测与远程自动控制、对运输设备状态监测与集中自动化控制、对泵站系统状态监测与集中自动化控制以及对采煤机、刮板机头、刮板机尾、转载点视频实时监视等功能。

2）采煤机子系统。采煤机系统由采煤机、电控系统、惯导系统、无线WIFI 系统等组成，实现采煤机的记忆割煤，以及根据采煤工艺，实现三角区的自动化割煤，采煤机的位置可以通过D 型齿轮传感器和支架红外位置进行修正，精确定位，该子系统安装了惯导组件的自导系统，对采煤机行走路径进行监测，配合液压支架分步精细推拉管理系统，实现刮板输送机调直管理。

3）电液控制系统。该系统主要由主阀、支架控制器、传感器、隔爆兼本安型直流电源、电源耦合器、架间耦合器、驱动器、红外接收器、红外发射器、高压过滤站、回液过滤站、巷道监控计算机及相应的电缆组成。实现单台支架的“降、移、升”自动控制及成组自动移架、成组自动推刮板输送机刮板、成组自动伸护帮、成组自动收护帮、成组自动喷雾、成组自动收伸缩梁、成组自动伸伸缩梁。对立柱的工作压力、推移千斤顶的行程、煤机的位置、方向进行监测，在井下电液控制主机上能够对上述信息进行显示和存储，能将数据传输至地面分控中心并显示。

4）三机、带式输送机运输及电力系统。该系统由三机（刮板输送机、转载机、破碎机）和运输巷带式输送机、运输上山输送带、590 输送带、沿线电话、组合开关、控制器等组成。实现对三机（刮板输送机、转载机、破碎机）和运输巷带式输送机、运输上山输送带、590 输送带的运行状态监测和远程控制功能，可以对电力组合开关的3 300 V 和1 140 V系统的各个供电回路的远程分合闸、状态监测、故障报警等进行监控，监测的状态有各个回路的电压、电流、功率，故障保护有过压、欠压、短路、过载、断相、温度、漏电等。

5）视频监控系统。视频由采面视频和巷道视频组成，对综采工作面的工作情况实时监控，在转载机与刮板运输机转载点、运输巷带式输送机溜煤眼、破碎机工作点、泵站、组合开关等处安装了摄像机进行固定点监控，支架上的摄像机采用自动跟机切换的模式，通过采集采煤机的位置信号，自动打开对应的支架上的摄像头，使其保持与采煤机的同步开启，使操作司机可以看到采煤机的截割滚筒的工作状态。

6）供液系统。供液系统由地面乳化液供液系统、井下乳化液泵、乳化液箱、高压反冲洗过滤站、回液过滤站、传感器（温度、液位、流量）等组成。该系统配备了高压自动反冲洗过滤站和回液过滤站，对乳化液介质进行了过滤，清洁，实现对高压自动反冲洗过滤站的自动、手动、定时、定压反冲洗控制，当压力严重超限，或不能进行反冲洗，滤芯堵塞严重时，实现泵站的报警停泵控制，该系统还需对乳化液箱的液位、温度、和干管流量进行实时监测以保障系统稳定运行。

此外，工作面自动控制系统还具有地面调度子系统，主要由交换机、各客户端主机、客户端显示器、数据服务器、硬盘录像机、打印机等设备组成。该系统采用以太网实现综采设备数据上传，通过矿井自动化网络,将综采设备的数据传到井上，实现地面分控中心对综采设备的监测、显示、控制；实现综采设备（液压支架、采煤机、刮板输送机、转载机、破碎机、负荷开关、泵站）数据的集成，在地面调度中心对综采设备的远程监测、显示；向第三方提供标准的OPC 协议，便于矿井自动化集成，并监控显示工作面分布在巷道、支架和采煤机的网络摄像头视频画面，网络摄像头的视频数据通过工业以太网网络传输到地面视频服务器显示，同时进行视频管理、查询、存储等。

2 工作面自动控制系统配置及结构

1）集控中心系统。集控中心有6 个客户终端：上面3 个是视频，分别显示动作支架视频监视、转载点视频监视、采煤机及采机周边视频监视；下面3 个视频是数据监测，分别是支架数据监测、综合信息监测、采煤机数据监测。6 个客户终端通过核心交换机和综合接入器与各个子系统进行连接，进而实现对采煤机工况监测与远程自动控制、对泵站系统状态监测与集中自动化控制等等。

2）采煤机子系统。采煤机控制系统结构图如图1，主要包括西门子S7-300 主控器、继电器、电源及按钮等。I/O 控住主要包括启停采煤机液压电机，启停截割电机，采煤机左牵右牵等；保护监测内容主要包括系统电压，左右截割电机电流，左右截割电机温度，内腔温度，油箱温度，牵引泵电流，牵引变压器温度，油位，调高泵低压侧油压，左右牵引电机温度，变频器电流，变频器温度，变频器母线电压等；控制监测内容主要包括采煤机位置，采煤机高度，机身摇摆角，机身俯仰角，左右摇臂倾角，变频器转矩等。另外安装了惯导组件的自导系统，对采煤机行走路径进行监测，安装了工作面无线WIFI 通讯系统，电液控支架每隔8～10 架安装1 台无线WIFI模块，之间通过有线连接，通过调试后，解决了工作面无线WIFI 信号的覆盖和切换问题。然后将采煤机的数据通过无线网络传输到巷道集控中心。

3）电液控制系统。系统采用ZDYZ-ZA 控制器为液压支架控制器，是液压支架电液控制系统的核心控制部分，与电磁先导阀连接，实时输出控制信号，控制各液压油缸的伸缩；并与各传感器相连，采集液压支架机械结构部分的位姿与状态信息。液压支架上常用的传感器有压力传感器、位移传感器和红外接收器等。压力传感器可以采集立柱的支撑压力，在立柱升/降柱时或自动补压时提供压力信号。位移传感器用于测量液压支架推移位移，但实际应用时误差较大。安装在液压支架上的红外接收器与安装在采煤机上的红外发射器通过红外信号通信，用于进行采煤机定位。

4）三机、带式输送机运输及电力系统。采用西门子S7-1200 系列PLC 为控制器，利用CM1241 作为通信模块与电力组合开关的3 300 V 和1 140 V系统进行通信连接，进而对三机和运输巷带式输送机、运输上山输送带、590 输送带的运行状态进行监测和远程控制。

5）视频监控系统。通过电液控支架隔架安装1台正对煤壁的摄像仪和每隔6 台电液控支架安装的横向摄像仪，对综采工作面的工作情况实时监控。集控中心显示视频的3 个显示频，最左边显示带式输送机的视频监控信息，中间显示工作面横向固定视频信息，最右边显示采煤机位置的视频信息共4个横向摄像头（可随采煤机位置自动切换）。采面视频和巷道视频是通过以太网级联进入综合接入器。

6）供液系统。供液系统结构图如图1，采用西门子S7-1200 系列PLC 作为控制器，通过CM1241 RS485 通信模块与综合接入器连接，利用综合接入器中的RS485 转以太网模块与核心交换机和集控中心连接，实现操作人员可通过集中控制系统的操作台对各泵站进行启停控制。通过液位传感器与温度传感器、流量传感器与压力测量装置分别对乳化液箱的液位、温度与干管的流量、压力进行了实时监测，经过隔离模块再将信号输入PLC。输出部分PLC 经继电器输出模块对电磁阀进行控制，来实现泵站的自动控制。

3 系统软件

三机系统控制流程图如图2，三机子系统主要实现对工作面刮板运输机、破碎机以及转载机等负载设备进行逻辑启停控制以及其它包括报警、急停、参数采集等信息处理，其中实现设备逻辑控制是最重要工作，可以分为设备的集控、单控和点控，集控是对所有设备进行集中控制，在综合客户端上对应2 个启停按钮：集中启动、集中停止；单控是对每台设备单独控制，每台设备对应1 个启停按钮，可以对设备进行独立启动和停止；点动是当启动按钮按下时设备启动，当放开时设备停止，它一般是用在设备维修时，特点是启停时间间隔很短。

图1 供液系统结构图

图2 三机系统控制流程图

供液系统控制流程图图略，在供液系统中乳化液泵站采用单泵控制方式，即单独对每一台泵进行一键启停控制。系统首先检测乳化液箱的液位，乳化液浓度和压力，当检测到的值符合系统要求时，即可在综合客户端上对循环泵进行启动。

基于远程干预的采煤机记忆截割控制流程如图3，共分为3 个阶段：人工学习、自动截割与远程干预修正。首先由操作人员对采煤机参数进行修正检查，如果需要学习示范刀，则进行示范刀的学习。如果以前已经学习完成，则直接选择进行自动截割模式。在整个自动截割过程中，通过远程监控摄像头实时监控采煤机采高变化情况以及实际的每层变化情况。如果需要更改跟踪顶底板曲线，则进行远程干预，由采煤机重新覆盖跟踪曲线。

图3 采机系统控制流程图

4 监控界面

利用WINCC 丰富的图形界面功能，完成系统所需画面的绘制。自动化网络监控系统的监控画面主要包括：

1）综合客户端。主界面实时监控转载机、破碎机、刮板运输机、乳化泵站、带式输送机的起停状态；能单机对上述设备进行启停控制。控制操作时通过系统管理，输入用户名和对应权限密码登录后进行控制操作。操作完成后需注销用户，避免误操作。系统导航条一直显示在画面顶部，分为综合主界面、组合开关3300、组合开关1140、超前支架、趋势查询、报表查询、故障查询、系统管理。用户可以通过点击各系统的图标进行对应系统参数浏览。

2）支架客户端。支架客户端可对工作面支架的状态信息进行实时监测，实时监测支架立柱的前柱压力、后柱压力、推溜行程、惯导信号、护帮压力、护帮状态，以柱状图的形式显示；并实时监测支架动作信息（喷雾、护帮动作、推溜、拉架、升柱、降柱）、故障信息、闭锁、急停信息等。用户可以根据图形描绘的信息判断工作面是否存在故障等信息。当支架电液控操作键盘打到“跟机”档位时，工作面没有急停闭锁的情况下，通讯状态一栏将显示黄色。

5 结 语

采用了由计算机、传感器、自动控制以及故障诊断等多种技术组成的控制系统，实现了正利煤业14-1104 综采工作面的全系统智能化控制。①对集控中心、采煤机系统、电液控制系统、三机系统、视频系统和供液系统的组成及控制功能进行分析。②对综采工作面的各个系统配置及控制方案进行设计。③对整个智能化控制的监控界面进行开发与设计，实现了对井下全系统远程监控。