煤礦自動(dòng)化無(wú)人綜采工作面探究及發(fā)展方向

1、煤礦自動(dòng)化無(wú)人 綜采工作面探究及發(fā)展方向#(山西晉城煤業(yè)集團(tuán)古書(shū)院礦 山西 晉城 048000)摘要：該文簡(jiǎn)述了煤礦自動(dòng)化綜采工作面的發(fā)展方向，利用自動(dòng)化科學(xué)技術(shù)，通過(guò)工作面集控中心，對(duì)綜采工作面設(shè)備進(jìn)行集中控制，實(shí)現(xiàn)割煤、移架、移刮板輸送機(jī)、落煤和頂板支護(hù)等生產(chǎn)程序遠(yuǎn)程自動(dòng)化無(wú)人控制。同時(shí)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)地面可視監(jiān)控。關(guān)鍵詞：綜采工作面;自動(dòng)化1 概述綜采工作面是煤礦生產(chǎn)最前沿的工作環(huán)節(jié)，也是最復(fù)雜的工作環(huán)節(jié)。其設(shè)備數(shù)量多，設(shè)備之間互相制約、相互協(xié)調(diào)，任何單一設(shè)備都無(wú)法脫離其它設(shè)備而單獨(dú)完成任務(wù)。同時(shí)這些設(shè)備的任何一個(gè)動(dòng)作還受地質(zhì)條件的限制。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的綜采工作面一般要由200-30

2、0臺(tái)設(shè)備構(gòu)成，核心設(shè)備有采煤機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)、液壓支架、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)和皮帶運(yùn)輸機(jī)，其中僅液壓支架就有100-250架之多。不熟練的工作人員，人工操作都非常困難，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的難度可想而知。通過(guò)研究，發(fā)現(xiàn)要想實(shí)現(xiàn)綜采工作面的自動(dòng)化運(yùn)行，必須對(duì)綜采工作面的設(shè)備有一個(gè)重新的認(rèn)識(shí)和定位，必須打破原有的在人工操作基礎(chǔ)上以單機(jī)為控制目標(biāo)的傳統(tǒng)思路，打破設(shè)備生產(chǎn)廠家的界限、打破設(shè)備功能的界限、破除單機(jī)智能化的傳統(tǒng)研究思路，從工作面整體采煤的思路來(lái)看待每一臺(tái)設(shè)備。其實(shí)它們都僅僅是一個(gè)大機(jī)器的一部件而已，所有的工作和動(dòng)作多是為完成一個(gè)任務(wù)-采煤，都應(yīng)在一控制中心的統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制下工作。2無(wú)人自動(dòng)化工作面系統(tǒng)從工作面

3、整體自動(dòng)化的角度，把綜采工作面的設(shè)備分為三大類：生產(chǎn)設(shè)備、輔助設(shè)備、工作面控制中心：其中生產(chǎn)設(shè)備包括“主要采煤設(shè)備、轉(zhuǎn)載運(yùn)輸設(shè)備”；輔助設(shè)備包括“動(dòng)力中心、泵站”等；控制中心是自動(dòng)化工作面的中樞神經(jīng)，包括工作面整體操作平臺(tái)、主采機(jī)組機(jī)控制站、轉(zhuǎn)載運(yùn)輸控制站、視頻監(jiān)測(cè)中心、通訊調(diào)度中心等，如下圖所示。2.1生產(chǎn)設(shè)備包括主要采煤設(shè)備、轉(zhuǎn)載運(yùn)輸設(shè)備（1）主要采煤設(shè)備是整個(gè)綜采工作面的核心設(shè)備，我們不妨把它稱作“主采機(jī)組”這里把工作面的三機(jī)“采煤機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、和工作面支架”看成是一個(gè)大型設(shè)備。由于這三種設(shè)備結(jié)構(gòu)上相互連接、動(dòng)作上互相制衡、位置上相互重疊。故從自動(dòng)控制的角度來(lái)看是不可分割的一個(gè)整體，應(yīng)把它

4、當(dāng)成一臺(tái)大型成套設(shè)備來(lái)看待，控制也應(yīng)由一個(gè)控制中心統(tǒng)一指揮。操作人員可在順槽的操作列車(chē)上，對(duì)設(shè)備進(jìn)行操控，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自動(dòng)行走、自動(dòng)割煤、自動(dòng)支護(hù)、自動(dòng)裝煤、自動(dòng)運(yùn)煤。如圖所示。（2）轉(zhuǎn)載運(yùn)輸設(shè)備包括轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、皮帶機(jī)和超前支護(hù)設(shè)備，是綜采工作面的接續(xù)設(shè)備，主要完成煤炭的連續(xù)運(yùn)輸工作。因其與主采設(shè)備無(wú)直接連接，并可單獨(dú)運(yùn)動(dòng)，所以可做為接續(xù)設(shè)備在控制中心與主采機(jī)組進(jìn)行連鎖控制，實(shí)現(xiàn)順煤流起車(chē)、逆煤流留停車(chē)和緊急停車(chē)等功能。超前支護(hù)設(shè)備雖然也是靠液壓進(jìn)行行走控制，但控制過(guò)程和方式與工作面支架不盡相同，而且可以獨(dú)立于工作面支架而單獨(dú)行動(dòng)。它的主要防護(hù)對(duì)象也是轉(zhuǎn)載機(jī)和破碎機(jī)等，所以也把它做為轉(zhuǎn)載運(yùn)輸

5、設(shè)備的一部分來(lái)處理，轉(zhuǎn)載運(yùn)輸設(shè)備與主采機(jī)組通過(guò)工作面控制中心進(jìn)行連鎖控制。2.2輔助設(shè)備輔助設(shè)備一般是指設(shè)備到車(chē)上的所有動(dòng)力保障設(shè)備。輔助設(shè)備包括動(dòng)力中心、泵站、清水站等。動(dòng)力中心是為整個(gè)工作面所有設(shè)備提供電力，控制中心可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)其任何一個(gè)動(dòng)作進(jìn)行控制，并可讀取每一路線的所有電氣參數(shù)及開(kāi)關(guān)狀態(tài)。泵站是液壓支架的動(dòng)力源，可通過(guò)控制中心進(jìn)行集中控制，完成自動(dòng)配液、軟化處理、壓力檢測(cè)、水位控制、泵組開(kāi)停及各種保護(hù)。2.3工作面控制中心工作面控制中心是綜采工作面由機(jī)械化向自動(dòng)化過(guò)度的關(guān)鍵設(shè)備，包括主采機(jī)組機(jī)控制站、轉(zhuǎn)載運(yùn)輸控制站、視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、工作面整體操作平臺(tái)等。（1）主采機(jī)組機(jī)控制站：主要是負(fù)責(zé)

6、直接采煤設(shè)備的控制，把采煤機(jī)、刮板機(jī)、工作面支架這三大組成部分當(dāng)成一個(gè)整體設(shè)備進(jìn)行控制。它可完成采煤工作的各采煤工藝的控制。取代智能采煤機(jī)中的智能化部分，如：記憶切割、煤巖分界識(shí)別等特殊功能。使采煤回歸到原來(lái)的基本功能，主要完成牽引行走、割煤、噴霧和參數(shù)采集等功能。而計(jì)算量較大的智能控制功能，上交到主采機(jī)組控制站，由控制站結(jié)合運(yùn)輸機(jī)、支架的工作狀況及具體位置，同時(shí)要結(jié)合當(dāng)時(shí)的地質(zhì)條件和瓦斯的變化情況進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。同時(shí)也取代了電液控制系統(tǒng)的部分高端控制要求：如。在主采機(jī)組控制站，可選擇“遠(yuǎn)程”單體和“遠(yuǎn)程”自動(dòng)操作，在“遠(yuǎn)程”單體模式下，用戶可通過(guò)自動(dòng)化集控計(jì)算機(jī)畫(huà)面的手動(dòng)控制按鈕，實(shí)現(xiàn)支架控制

7、系統(tǒng)的單架單功能控制、單步操作、手動(dòng)成組操作，如支架立柱升、降；移架、推溜、側(cè)護(hù)板伸；底調(diào)、平衡、支架小循環(huán)自動(dòng)控制；成組支架降、移、升工作循環(huán)自動(dòng)控制（成組自動(dòng)控制，包括：成組自動(dòng)推溜、成組自動(dòng)降移升、成組自動(dòng)支架前端輔助采煤機(jī)噴霧、成組自動(dòng)移架?chē)婌F）；在遠(yuǎn)程自動(dòng)模式下，液壓支架會(huì)跟隨采煤機(jī)的運(yùn)行而進(jìn)行相應(yīng)的移架、自動(dòng)推溜操作、自動(dòng)降-移-升、自動(dòng)支架前端輔助采煤機(jī)噴霧。根據(jù)電液控制系統(tǒng)采集的工作面的各種參數(shù)，可在主采機(jī)組控制站的計(jì)算機(jī)上設(shè)置相關(guān)自動(dòng)追機(jī)拉架、設(shè)定控制支架的推移步距、斜切進(jìn)刀、調(diào)斜等工藝過(guò)程的參數(shù)調(diào)整和命令發(fā)布；在主采機(jī)控制中心的計(jì)算機(jī)上具有對(duì)支架控制系統(tǒng)的故障診斷、顯示和報(bào)

8、警功能。使電液控制系統(tǒng)回歸到原始的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用上，同時(shí)可保留一些常規(guī)操作。支架電液控制系統(tǒng)有“就地”和“遠(yuǎn)程”控制，在“就地”模式下，可實(shí)現(xiàn)單臺(tái)支架降、移、升工作，就地手動(dòng)具有最高的優(yōu)先權(quán)，就地手動(dòng)時(shí)可以屏蔽掉遠(yuǎn)程控制命令。運(yùn)輸機(jī)的在線監(jiān)測(cè)本來(lái)也是一個(gè)無(wú)實(shí)際應(yīng)用作用的中間功能，也歸入到主機(jī)控制中心。同時(shí)可對(duì)運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)鏈和張緊的控制，還可引入變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)力矩平衡控制。這樣可使系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單，同時(shí)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)還可直接用于主采機(jī)組的保護(hù)和控制。除上述主控功能外，主采機(jī)控制站還應(yīng)具備視頻采集控制和控制切換功能。使工作面的視頻信號(hào)隨采煤機(jī)的運(yùn)動(dòng)分屏地投射到控制中心，以便于操作人員觀察現(xiàn)場(chǎng)

9、情況。（2）轉(zhuǎn)載運(yùn)輸控制站：主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、皮帶機(jī)和超前支護(hù)支架的連鎖和協(xié)調(diào)控制。并在工作面控制中心的協(xié)調(diào)下跟隨主采機(jī)組的推進(jìn)自動(dòng)移動(dòng)。同時(shí)采集所有設(shè)備的工作參數(shù)和超前支護(hù)的頂板參數(shù)。（3）視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：主要完成工作面設(shè)備及順槽設(shè)備的主要監(jiān)控工作。根據(jù)需要分屏地反映到工作面操作平臺(tái)上，供操作人員分析使用。要完成綜采設(shè)備由人工跟機(jī)控制到控制中心集中控制的轉(zhuǎn)變，必須解決工作面的可視化問(wèn)題。這里要解決的重點(diǎn)問(wèn)題有視頻的傳輸問(wèn)題和攝像頭的防塵問(wèn)題。由于采煤機(jī)移動(dòng)工作的特點(diǎn)，采用移動(dòng)無(wú)線視頻比較好。要使整個(gè)工作面達(dá)到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，然后在液壓支架和采煤機(jī)上安裝攝像頭，并可根據(jù)采煤機(jī)的位置控制攝像

10、頭交替工作，自動(dòng)跟蹤采煤機(jī)行走，以保證最佳的視頻效果。防塵也是必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。（4）工作面整體操作平臺(tái)：是整個(gè)綜采工作面的所有設(shè)備進(jìn)行集中控制的平臺(tái)。它可控制整個(gè)綜采工作面所有設(shè)備，同時(shí)負(fù)責(zé)與地面調(diào)度進(jìn)行信息聯(lián)絡(luò)，地面調(diào)度中心可能過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視工作面的所有設(shè)備工作狀態(tài)和各種參數(shù)。同時(shí)可進(jìn)行視頻監(jiān)視和電話指揮，必要時(shí)可在地面對(duì)設(shè)備進(jìn)行人工干預(yù)，以便處理緊急事故。3自動(dòng)化綜采工作面的特點(diǎn)（1）打破了綜采工作面以機(jī)械設(shè)備為主的工作模式。目前所謂“自動(dòng)化工作面”的研究均是在傳統(tǒng)的“人工操作模式”下以某種機(jī)械設(shè)備為主進(jìn)行擴(kuò)展，其中一種方法是以電液控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，采集采煤機(jī)的信息，以此擴(kuò)展到工作面

11、其他設(shè)備的控制；一種方法是以采煤機(jī)的智能化為基礎(chǔ)再與電液控制控制系統(tǒng)相連進(jìn)行自動(dòng)控制。綜采工作面是一個(gè)多設(shè)備、多系統(tǒng)相互融合和的復(fù)雜系統(tǒng)，設(shè)備與設(shè)備之間的動(dòng)作相互交織，還要考慮地質(zhì)條件變化等因素的影響。單一設(shè)備的控制系統(tǒng)從運(yùn)算能力上其實(shí)是達(dá)不到的，只能是設(shè)備之間互相通信和聯(lián)絡(luò)，再通過(guò)各自的控制系統(tǒng)決策控制，這不僅影響了指令的執(zhí)行時(shí)間，也容易出現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤。更何況機(jī)械設(shè)備廠家其技術(shù)特點(diǎn)都是以機(jī)械為主，自控的技術(shù)力量一般都不高，設(shè)備之間還存在相互競(jìng)爭(zhēng)的因素，想達(dá)到協(xié)調(diào)一致的控制是不可能的。所以要想使整個(gè)工作面達(dá)到“自動(dòng)化采煤”的目的，必須打破以機(jī)械設(shè)備為中心的“機(jī)械化采煤”的工作方式。（2）打破了以

12、設(shè)備生產(chǎn)廠家為單元的獨(dú)立控制思路。要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化采煤，必須達(dá)到多設(shè)備協(xié)調(diào)統(tǒng)一的控制，打破生產(chǎn)廠家的壁壘。這樣既可以提高工作面的整體性，又可以降低對(duì)單體設(shè)備控制的技術(shù)要求。因?yàn)椋瑢?duì)于單體設(shè)備來(lái)說(shuō)，智能化水平再高，也無(wú)法解決工作面所有設(shè)備的協(xié)調(diào)工作，對(duì)工作面的自動(dòng)化運(yùn)行不會(huì)有任何影響。（3）確立了以自動(dòng)化技術(shù)為主導(dǎo)的“主采機(jī)組”的整體控制方案。由于綜采工作面的復(fù)雜性，必須把工作面相互連接的所有設(shè)備看成一個(gè)大型的可行走的采煤機(jī)組。其中的采煤機(jī)、支架、刮板機(jī)不論設(shè)備的體積有多大、數(shù)量有多多、功能有多強(qiáng)都是主采機(jī)組的一個(gè)部件，任何一個(gè)動(dòng)作都要在協(xié)調(diào)其他部件、同時(shí)考慮工作面環(huán)境變化的情況下執(zhí)行。4達(dá)到的效果

13、通過(guò)自動(dòng)化控制系統(tǒng)控制，可實(shí)現(xiàn)四級(jí)監(jiān)控，三級(jí)控制：（1）可在地面調(diào)度室監(jiān)控工作面所有設(shè)備的工作過(guò)程、工作狀態(tài)和相關(guān)數(shù)據(jù)。通過(guò)視頻觀擦采煤機(jī)行走、割煤、搖臂調(diào)高臥底的動(dòng)作過(guò)程；觀察液壓支架的升-降-移的工作過(guò)程、轉(zhuǎn)載運(yùn)輸設(shè)備、超前支護(hù)設(shè)備的工作和移動(dòng)過(guò)程。并可進(jìn)行語(yǔ)音通話，實(shí)施語(yǔ)言指揮；在特殊緊急情況下，還可以直接干預(yù)停機(jī)。下圖為無(wú)人工作面的三機(jī)聯(lián)動(dòng)工作示意圖。（2）可在順槽設(shè)備列車(chē)上（工作面控制中心）進(jìn)行“遠(yuǎn)程自動(dòng)控制”和“遠(yuǎn)程手動(dòng)控制”?！斑h(yuǎn)程自動(dòng)控制”就是在工作面條件允許的情況下實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)采煤，采煤機(jī)可實(shí)現(xiàn)記憶切割，根據(jù)示范刀切割數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)巡航、調(diào)高、臥底、加速和減速；實(shí)現(xiàn)斜切進(jìn)刀、磨三角等功能。支架可以實(shí)現(xiàn)跟機(jī)拉架、調(diào)斜、成組拉架等動(dòng)作。“遠(yuǎn)程手動(dòng)控制”就是在工作面地質(zhì)條件不好的情況下，在控制中心的計(jì)算機(jī)上通過(guò)視頻觀察對(duì)單體設(shè)備進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)控制，下圖為采煤機(jī)記憶切割示意圖。（3）在遠(yuǎn)程操作出現(xiàn)問(wèn)題是，工作人員還可以拿手持遙控器在可視范圍內(nèi)進(jìn)行人工操作。（4）除了上述自動(dòng)化的工作之外，采煤機(jī)和支架還保留各自的本機(jī)操作功能，在特殊情況需要人員現(xiàn)場(chǎng)處理時(shí)，工人可在機(jī)器旁進(jìn)行單機(jī)、單功能操作。5結(jié)論隨著采礦科技水平的提高,現(xiàn)代化礦井利用自動(dòng)化科學(xué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工作面無(wú)人或少人作業(yè)，已成為未來(lái)煤