综采工作面远程智能监控系统研发及应用

关 伟，杨 刚，张玮蓉，李 刚，毛清华

(1.中煤西北能源有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017200；2.西安东达马科智能控制系统有限公司，陕西 西安 710075；3.乌审旗蒙大矿业有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017307；4.西安科技大学 机械工程学院，陕西 西安 710054；5.陕西省矿山机电装备智能监测重点实验室，陕西 西安 710054)

0 引言

煤矿智能化是适应现代工业技术革命发展趋势、保障国家能源安全、实现煤炭工业高质量发展的核心技术支撑[1-2]。根据乌审旗蒙大矿业有限责任公司纳林河二号煤矿3-1上102综采工作面1.6～2.6 m中厚煤层的赋存条件：矿井瓦斯含量低，煤层易自燃，具有爆炸危险性[3]，工作面平均煤厚2 m，工作面断层少，局部有微弱的波状起伏，构造简单[4]。针对以上情况，研究了综采工作面远程智能监控系统，为实现综采工作面少人化、无人化发展提供了有力的技术支撑，降低了安全隐患，提高了工作面的生产效率[5]。

针对综采工作面远程监控技术，国内外专家学者对其进行研究。王国法等[6]提出智慧煤矿巨系统综合管理操作平台，解决了子系统数据割裂、无法联动、无法大数据分析支持等关键技术。迟焕磊等[7]针对井下智能化开采工作面的远程供电供液方式，将实时数据传输给集控中心实现远程监控，实现设备系统间的系统控制。高小强[8]研究了综采工作面自动化系统，并在神东石圪台煤矿进行了井下工业性实验与应用，有效实现了工作面少人以及高效生产。王海军[9]研究了数字式智慧综采工作面集控系统，为实现最终的无人开采奠定了技术基础。陈旭忠等[10]研究了千万吨级综放工作面设备配套及自动控制系统，为建设同类千万吨级综放工作面提供借鉴经验。郭金刚等[11]研究综采工作面智能化开采路径及关键技术，并以同忻煤矿8202工作面为研究对象，探索特厚煤层智能化综放开采模式的应用。李首滨[12]以滨湖煤矿薄煤层、黄陵中厚煤层简单地质条件及红柳煤矿中厚煤层复杂地质条件为例，论述煤矿智能化发展的技术和管理对策，为煤矿智能化发展提供理论指导。张建国等[13]针对平顶山矿区地质情况，研究深部煤层智能化大采长综采工作面关键技术，满足了安全高效生产的要求。

针对蒙大地质条件，提出综采工作面远程智能监控系统，围绕地面监控中心、顺槽控制中心以及EtherNet/IP通信技术[14]，分别对其关键技术进行研究，并在蒙大纳林河二号煤矿3-1上102工作面进行应用，以期全面提升综采工作面自动化、智能化水平，为实现煤矿安全、高效生产提供借鉴，促进煤炭工业的可持续发展。

1 远程智能监控系统总体方案

综采工作面远程智能监控系统通过工作面的综合接入器、光电转换器和交换机，建立一个统一开放的工作面100 M工业以太网控制平台[15]，将地面监控中心与顺槽控制中心有机结合，实现对综合机械化采煤工作面设备的协调管理和集中控制[16]。该系统总体方案如图1所示，主要由综采单机设备层、顺槽监控中心、地面监控中心3部分组成。综采单机设备层主要包括采煤机、液压支架、刮板机、顺槽皮带、泵站、供电系统、语音、照明、视频监控、人员定位、环境监测等[17]。顺槽控制中心主要由采煤机控制系统、三机传动在线监测、支架电液控制系统、乳化液泵站控制系统、顺槽皮带机控制系统、皮带自移控制系统、顺槽超前支架电液控制系统、顺槽设备列车电液控制系统、无线遥控系统、智能照明系统、人员识别系统、视频在线监视系统等组成[18]。地面监控中心主要由交换机、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[19]。综采单机设备层通过多种标准总线接口、OPC、TCP/IP、EtherNet/IP等与顺槽控制中心连接并进行信号传输，由顺槽控制中心发布命令信号控制井下设备工作状态。从工作面获取的所有数据通过数据传输平台，接入到顺槽控制中心，实现对综采设备、环境状态和人员状态的视频监测功能，并实现工作面设备的远程“一键启停”功能。

2 地面监控中心

在地面监控室建立监控中心，主要由自动化主机、视频主机、硬件急停等配套设施组成。利用井上下工业环网实现对工作面信息的实时监测，进而通过地面工作面操控平台实现工作面设备的远程操控，并实现对工作面设备的“一键启停”[20]，使得地面监控中心具备显示功能、安全功能(报警提示功能、硬件急停功能)以及远程控制功能(采煤机控制、液压支架控制)。

2.1 地面监控中心远程视频监控

通过建立有屏幕显示与系统控制的智能工作面操控平台，可实时显示全工作面运行状态、综采设备运行状态、工作面环境状态、人员状态以及工作面视频。远程视频监控是由地面监控中心，以工业以太环网作为视频传输通道，接收到井下工作面摄像系统上传的视频画面，并分别用多个界面显示出来。

2.2 地面监控中心远程控制

在综采工作面远程控制过程中，设备位置监测系统通过信号传输将设备状态信息传输给操作台，通过设备视频监控系统，工作人员操控操作台发出相应的指令，并通过数据通信总线与采煤机、液压支架等设备进行通信，将信号传送给综采工作面设备，从而实现综采工作面的远程控制。同时，通过地面监控中心视频监控信息，操控操作台，通过一键启停按钮实现工作面设备的远程控制。

3 顺槽控制中心

顺槽控制中心是智能化综采工作面的核心组成部分，顺槽控制中心采用高效工控平台，数据传输平台将工作面所有数据接入到顺槽控制中心，使得顺槽控制中心具备数据显示、设备控制、数据分析和生产管理等功能。工控平台通过数据信息进行分析，对图像进行识别，采用预警报警机制，生成运行规划，依据所确定刮板运输机的实时位置曲线，制定采煤机路径规划及液压支架自适应规划来实现智能化。顺槽控制中心定期生成设备运行状态的分析报告，采用关键指标的方式，反映生产进度，分析故障原因，指导日常维修，将更换式维护转变成预防式服务。顺槽控制系统通过通讯系统获取设备运行数据，并通过控制中心实现对系统的实时远程监测，可显示出电机绕组温度、减速器温度、油温、油位、冷却水温度和流速、工作面沿线闭锁、输送带保护和故障报警等数据信息[21]。通过将工作面各设备、环境监测系统、人员信息、工作面视频以及传感器数据等经过数据传输平台接入到工控平台，井下相关设备的数据以及地面监控室的相关数据经过交换机进入到工控平台，实现对综采工作面的实时监测和数据采集。

工控平台具有显示设备运行、环境和人员动态等功能，根据实时数据分析，工控平台能够生成和显示工作面三维虚拟场景、工作面组件受力状况、工作面跟机视频显示、生产运行以及设备维护数据。利用VR/AR技术在煤矿的精准开采和井下设备群多维信息集成中的优势，实现工作面三维可视化建模，模型构建方案如图2所示，包括构建三维模型、将模型导入虚拟现实软件中、设置交互逻辑3个主要环节。在建模软件中根据综采工作面设备的结构及尺寸完成3D建模，在确保模型必要精确度和逼真度的同时，减少纹理精细程度，降低细节等级并减少图形复杂度以提高系统运行效率[22-24]。顺槽控制中心将工作面各设备、环境检测系统、人员信息等经数据传输平台接入到工控平台，建立高质量的综采工作面及设备虚拟模型，将各传感器数据反馈给虚拟综采工作面，运用数字孪生驱动技术对综采三机系统与采煤巷道虚拟模型进行动态修正，实现综采工作面设备系统的虚实同步控制。

图2 基于VR/AR技术的三维综采工作面构建方案示意Fig.2 3D comprehensive mining face construction scheme based on VR/AR technology

4 基于EtherNet/IP的通信技术

建立工作面高速传输网络、“无盲区”视频监控系统及实时语音通讯系统[25]，通过该网络将工作面建设成一个数字化工作面，不仅实现工作面视频与语音的传输，还能将工作面及顺槽所有电气设备的信息进行集成，通过该网络统一传输到监控中心。EtherNet/IP通信协议标准规范了煤矿装备的通信标准，所有配套设备均具有统一的EtherNet/IP接口协议。通过定义不同的对象模型来实现EtherNet/IP通信功能，根据不同的业务需求级别，可以将通信任务分为远程控制、数据监测、参数配置等，然后建立相应的应用对象模型[26]。对具有不同需求的数据进行分类，具有高实时性的控制数据通过基于UDP/IP协议的类型1连接传输，而其他数据则通过基于TCP/IP协议的类型3连接进行传输，数据分类处理可确保数据质量。EtherNet/IP支持基于计算机软件的一站式和多站通信。基于Ether Net/IP的通信架构如图3所示。EtherNet/IP通信标准协议用于实现综采工作面设备间的通信功能，具有良好的实时性和可靠性，并实现了设备的地面监测监控。设备通过模拟煤矿网络拓扑结构，实现设备工业以太网接入和互联。

图3 综采工作面通信结构Fig.3 Communication structure of fully mechanized mining face

5 现场应用

综采工作面远程智能监控系统设计完成后，为验证该系统的可行性，在蒙大纳林河二号煤矿进行工业性实验，实现了工作面无操作人员和两顺槽监控人员精简到5人。

5.1 地面监控中心远程监控

图4为地面监控中心的控制平台布局图，在地面监控中心可实时看到工作面的视频画面、顺槽设备泵站、“三机”、皮带机、开关、采煤机、液压支架等设备的运行状态，可以对人员进行定位追踪和对工作面环境进行实时监测。同时，放置一台视频存储服务器，最多可存储15天工作面的视频数据，既可以实时查看工作面情况，也可以利用时间线查看，如图5所示。

图4 地面监控控制中心Fig.4 Ground monitoring control center

图5 时间线查看工作面运行情况Fig.5 Timeline to view the operation of the working face

5.2 顺槽控制中心远程监控

顺槽控制中心由5台主机和一台触摸操控机组成，5台主机分别显示工作面视频、“三机”和采煤机控制界面、智能控制系统主界面、开关和泵站的运行状态。触摸操控台可以控制工作面设备，实现工作面设备的单机启停、一键启停及智能化截割启停等功能。图6为工控平台数据分析结果，通过对工作面设备运行状态信息及参数信息进行分析，保障工作面设备运行安全稳定，提高生产效率。

图6 顺槽控制中心数据分析界面Fig.6 Data analysis interface of along the channel control center

6 结语

以蒙大纳林河煤矿3-1上102综采工作面为研究对象，针对其构造简单，易发生煤尘爆炸等特点，研究了综采工作面远程智能监控系统。应用结果表明，地面监控中心通过视频监控实现了工作面设备实时监测、工作面环境监测与人员定位监测等，并通过操控面板实现设备的“一键启停”操控；顺槽控制中心结合VR/AR技术与视频监控实现了综采工作面的三维可视化界面，并实现了设备系统间的虚实同步控制。该系统有效提高了整个综采工作面系统的工作效率及稳定性，实现了整个工作面的“有人巡视、无人操作、远程干预、安全高效、绿色节能”的智慧运营。