綜采工作面自動(dòng)化控制技術(shù)研究

0綜采自動(dòng)化控制體系采用綜合采收部門自動(dòng)化技術(shù)是提高綜合采收部門生產(chǎn)效率、減少人員和降低工作效率的主要途徑。國(guó)外已有成熟的采煤機(jī)綜采工作面控制技術(shù),工作面成套綜采設(shè)備已形成一套獨(dú)立、完善的綜采自動(dòng)化控制體系。國(guó)內(nèi)目前還沒(méi)有成套綜采工作面自動(dòng)化控制系統(tǒng),但有多個(gè)廠家有工作面集控系統(tǒng),其主要功能是工作面語(yǔ)音通信、“三機(jī)”(刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī))集中控制、閉鎖、保護(hù)等。國(guó)內(nèi)外綜采自動(dòng)化控制技術(shù)比較如下:國(guó)外控制對(duì)象是以支架、采煤機(jī)、“三機(jī)”為主的全工作面自動(dòng)化控制,采用控制中心+控制器+工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線的控制技術(shù),自動(dòng)化控制程度較高,而國(guó)內(nèi)控制對(duì)象是以“三機(jī)”、輸送帶、泵站局部綜采設(shè)備簡(jiǎn)單集控,采用控制器+工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線的控制技術(shù),自動(dòng)化控制程度較低。1綜合采區(qū)的自動(dòng)控制技術(shù)分析1.1同套電液控制系統(tǒng)的特點(diǎn)液壓支架作為綜采的主要設(shè)備,其控制系統(tǒng)的功能、可靠性和操作方便等性能直接影響工作面的產(chǎn)量和效率。采用電液控制系統(tǒng)是液壓支架提高移架速度最有效的技術(shù)途徑,既是實(shí)現(xiàn)安全高效的基礎(chǔ),也是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化的技術(shù)基礎(chǔ)。電液控制系統(tǒng)和液壓支架相對(duì)獨(dú)立,同套液壓支架可以配各種型號(hào)電液控制系統(tǒng)產(chǎn)品。電液控制系統(tǒng),是一套較為獨(dú)立的控制系統(tǒng),采用專用控制器(單片機(jī)結(jié)構(gòu)),通過(guò)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線,將整個(gè)工作面設(shè)備進(jìn)行集成。電液控制系統(tǒng)在滿足自身功能的基礎(chǔ)上,還能實(shí)現(xiàn)部分高級(jí)功能,如跟機(jī)自動(dòng)化和數(shù)據(jù)上傳,但其仍具有一定的局限性,如工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線由于帶寬的局限,滿足不了大量數(shù)據(jù)傳輸需求。這就限制了液壓支架與工作面其他設(shè)備的聯(lián)系,如定量生產(chǎn)、高效生產(chǎn)(采煤速度、截深、放煤)、與采煤機(jī)關(guān)聯(lián)(速度)、與運(yùn)輸系統(tǒng)關(guān)聯(lián)(放煤)、與供液系統(tǒng)關(guān)聯(lián)等。因此,為了滿足液壓支架與采煤機(jī)、“三機(jī)”等設(shè)備之間的協(xié)調(diào)、高效,就應(yīng)該研究成套綜采工作面自動(dòng)化控制技術(shù)。1.2采煤機(jī)控制系統(tǒng)采煤機(jī)是綜采工作面生產(chǎn)必不可缺的關(guān)鍵設(shè)備,是集機(jī)械、電氣和液壓為一體的大型復(fù)雜系統(tǒng),工作環(huán)境惡劣,如果出現(xiàn)故障將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)采煤工作的中斷,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。采煤機(jī)控制系統(tǒng)復(fù)雜,幾乎所有主流采煤機(jī)廠商都自主研制控制核心。采煤機(jī)與支架的控制方式不同,控制單元集中,主要采用PLC集中控制和變頻技術(shù),并且采煤機(jī)的控制以人工遙控控制為主。由于采煤機(jī)是動(dòng)態(tài)的,且線纜傳輸環(huán)境惡劣,這就限制了采煤機(jī)與工作面其他綜采設(shè)備關(guān)聯(lián),如提高采煤機(jī)高智能自動(dòng)化控制要求、速度自動(dòng)控制(產(chǎn)量需求、輸送機(jī)設(shè)備負(fù)荷、工作面環(huán)境)、采高自動(dòng)控制(煤巖識(shí)別、與支架關(guān)聯(lián))、視頻(與支架關(guān)聯(lián))、遠(yuǎn)程控制等。因此,也迫切需要建立一套系統(tǒng),為采煤機(jī)與其他綜采設(shè)備,尤其是與支架建立關(guān)聯(lián)。1.3主要設(shè)備組成在當(dāng)前采煤工作面內(nèi),“三機(jī)”作用不僅是運(yùn)送煤和物料,而且刮板輸送機(jī)還是采煤機(jī)的運(yùn)行軌道,因此它成為現(xiàn)代化采煤工藝中不可缺少的主要設(shè)備。“三機(jī)”控制系統(tǒng)分為2部分:(1)監(jiān)控(自動(dòng)張緊、傳感器監(jiān)測(cè))和啟動(dòng)(軟啟動(dòng)、液力偶合器啟動(dòng))系統(tǒng),并預(yù)留通信接口。(2)聯(lián)鎖啟?？刂葡到y(tǒng),設(shè)備的啟停、聯(lián)鎖控制與設(shè)備較為獨(dú)立,即同一套“三機(jī)”設(shè)備可以配套各種集控系統(tǒng)。因此,綜采工作面自動(dòng)化控制技術(shù)應(yīng)將”三機(jī)”的集中自動(dòng)化控制、輸送機(jī)自動(dòng)張緊控制系統(tǒng)、信息化整合(輸送機(jī)負(fù)荷)、刮板輸送機(jī)速度控制等有效結(jié)合起來(lái)。1.4工作面自動(dòng)化控制技術(shù)在綜采工作面,帶式輸送機(jī)主要用于煤礦井下巷道運(yùn)輸系統(tǒng)。具有運(yùn)量大、運(yùn)距長(zhǎng)、設(shè)備故障少和運(yùn)輸成本低等方面的優(yōu)點(diǎn),是綜采工作面不可缺少的主要配套設(shè)備之一。在控制方面,工作面帶式輸送機(jī)通常被考慮成是整個(gè)煤流系統(tǒng)的一部分,與巷道帶式輸送機(jī)形成一套獨(dú)立的運(yùn)輸系統(tǒng),具有專門的控制體系,并預(yù)留通信接口。因此,綜采工作面自動(dòng)化控制技術(shù)的研究應(yīng)包括:帶式輸送機(jī)啟停、聯(lián)鎖控制關(guān)聯(lián)(與“三機(jī)”);帶式輸送機(jī)負(fù)荷控制關(guān)聯(lián)(輸送機(jī)速度、采煤速度);帶式輸送機(jī)速度控制關(guān)聯(lián)(變頻控制接口)。1.5工作面自動(dòng)化控制技術(shù)研究乳化液泵站是向綜采工作面液壓支架輸送高壓乳化液的設(shè)備,工作面用液系統(tǒng)的保障,是機(jī)械化采煤工作面的主要設(shè)備之一。在控制方面,泵站控制系統(tǒng)與泵站較為獨(dú)立,同一套泵站可以配套不同型號(hào)的泵站控制系統(tǒng),并且泵站廠商一般只供應(yīng)泵站,不設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。因此,綜采工作面自動(dòng)化控制技術(shù)應(yīng)研究以下內(nèi)容:完善自身智能控制系統(tǒng);與電液控制系統(tǒng)關(guān)聯(lián),按需用液,現(xiàn)有供液系統(tǒng)采用壓力控制方式,是一種滯后于生產(chǎn)的控制。1.6工作面綜采設(shè)備在綜采工作面,供電設(shè)備被稱為組合開(kāi)關(guān)或負(fù)荷中心,是工作面綜采設(shè)備的動(dòng)力源,機(jī)械化采煤工作面的主要設(shè)備之一。供電設(shè)備方面應(yīng)研究以下內(nèi)容:組合開(kāi)關(guān)的控制方式和控制原理;組合開(kāi)關(guān)的通信方式,即數(shù)據(jù)的交互。2綜采工作面生產(chǎn)管理的信息化對(duì)策在綜采工作面各個(gè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上,進(jìn)行自動(dòng)化系統(tǒng)集成,實(shí)現(xiàn)液壓支架電液控制跟機(jī)自動(dòng)化,綜采設(shè)備智能自動(dòng)化控制,設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),數(shù)據(jù)集成、視頻、音頻、通信于一體的綜采工作面生產(chǎn)數(shù)字化、自動(dòng)化、信息化系統(tǒng),確保工作面各設(shè)備協(xié)調(diào)、連續(xù)、高效、安全運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)井下工作面生產(chǎn)的集中自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、控制和地面調(diào)度中心的集中管理,達(dá)到生產(chǎn)管理的信息化,筆者認(rèn)為應(yīng)重點(diǎn)攻克以下技術(shù)難題。2.1控制體系的構(gòu)造隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)一步普及,礦井自動(dòng)化、信息化、數(shù)字化的發(fā)展,礦井調(diào)度指揮中心發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。然而,煤礦生產(chǎn)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,工藝流程復(fù)雜,各綜采設(shè)備相對(duì)獨(dú)立,沒(méi)有形成一套完善的控制體系,各個(gè)設(shè)備之間相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)工作受到極大約束。因此,需要建設(shè)綜采工作面的中央控制中心(工作面生產(chǎn)調(diào)度指揮中心),實(shí)現(xiàn)綜采設(shè)備能夠協(xié)調(diào)、連續(xù)、高效、安全運(yùn)行。工作面成套裝備控制模式以工作面控制中心為核心,集工作面成套裝備配套運(yùn)行控制、液壓支架工況自動(dòng)電液控制、各種設(shè)備智能自動(dòng)化控制及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)集成、視頻、音頻、通信于一體,采用液壓支架移架技術(shù)、采煤機(jī)截割高度自動(dòng)控制技術(shù)和工作面信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),對(duì)綜采工作面液壓支架、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、帶式輸送機(jī)、電氣開(kāi)關(guān)、泵站等設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)與自動(dòng)化控制,確保各設(shè)備協(xié)調(diào)、連續(xù)、高效、安全運(yùn)行,形成生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化。2.2快速接入高速工業(yè)聯(lián)網(wǎng)隨著現(xiàn)代通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)的迅速發(fā)展,煤礦用戶對(duì)綜采工作面的需求由原來(lái)單一的設(shè)備工況信息集成及上傳而發(fā)展為包括話音、圖像、視頻、數(shù)據(jù)的多媒體業(yè)務(wù)。因此,需設(shè)計(jì)一種總線,以滿足其帶寬大、實(shí)時(shí)性高的要求。在綜采工作面建立高速工業(yè)以太網(wǎng),為工作面信息(包括話音、圖像、視頻、數(shù)據(jù)等)傳輸提供通道。實(shí)現(xiàn)工作面綜采設(shè)備,如液壓支架、采煤機(jī)、破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、刮板輸送機(jī)、帶式輸送機(jī)、泵站、供電系統(tǒng)等快速接入到高速以太網(wǎng)通道。工業(yè)以太網(wǎng)在煤礦井下被廣泛應(yīng)用,但主要用于礦井自動(dòng)化建設(shè),因此設(shè)計(jì)成防爆通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。綜采工作面由于環(huán)境的特殊性,很難放置體積龐大的防爆通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。因此研究工作面本安型工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)顯得尤為重要。2.3光纖傳輸介質(zhì)實(shí)現(xiàn)少人甚至無(wú)人化工作面,僅靠傳感器無(wú)法全面獲得工作面的情況,應(yīng)用視頻監(jiān)控技術(shù)顯得尤為重要。當(dāng)前,礦用主流視頻系統(tǒng)都采用模擬的視頻信號(hào),諸如NTSC、PAL、SECAM等標(biāo)準(zhǔn)電視信號(hào),通過(guò)光纖等傳輸介質(zhì)傳到地面控制室的終端顯示器。這種是一種成熟的方式,但是受限于一對(duì)一顯示方式,且工作面條件限制使用光纖。另外一種主流方式是采用網(wǎng)絡(luò)攝像頭,經(jīng)過(guò)以太網(wǎng)傳到地面的視頻服務(wù)器,再由視頻服務(wù)器輸出到各個(gè)顯示終端。但是這種方式需要1臺(tái)高性能的視頻服務(wù)器,這種設(shè)備無(wú)法在井下使用。因此,需要結(jié)合模擬視頻信號(hào)和數(shù)字視頻信號(hào)兩者的優(yōu)點(diǎn),采用先進(jìn)的視頻傳輸方式和顯示方式實(shí)現(xiàn)在工作面端頭或巷道列車上實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)工作面的視頻監(jiān)控,查看工作面設(shè)備的工作情況,以確保設(shè)備安全、高效生產(chǎn)。2.4充分發(fā)揮會(huì)話功能目前,綜采工作面的語(yǔ)言通話系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)單雙工通信,如果工作面有2個(gè)或2個(gè)以上的人對(duì)話時(shí),不同的聲音會(huì)產(chǎn)生疊加,造成音質(zhì)下降,而VOIP技術(shù)正好能夠解決此問(wèn)題,并且能夠?qū)崿F(xiàn)多路功能,或者多人同時(shí)進(jìn)行會(huì)議功能,還可以把工作面的分站設(shè)置成幾個(gè)小組,不同小組之間也能實(shí)現(xiàn)會(huì)話功能。同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)整個(gè)礦井的綜合語(yǔ)音業(yè)務(wù)。VOIP技術(shù)是一種基于以太網(wǎng)的語(yǔ)音通信技術(shù),能夠在同一條線路上傳輸比傳統(tǒng)電話網(wǎng)更多的通話,大幅提高了效率。但是針對(duì)煤礦用戶來(lái)說(shuō),需要考慮如何與傳統(tǒng)模擬語(yǔ)音技術(shù)達(dá)到最佳的結(jié)合,即如何最有效地運(yùn)用VOIP技術(shù),提高綜采工作面語(yǔ)音通信系統(tǒng)的實(shí)用性,確保綜采工作面安全、高效生產(chǎn)。2.5綜采工作面數(shù)據(jù)分析與預(yù)測(cè)綜采工作面是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,它是不同領(lǐng)域技術(shù)的交叉和綜合,實(shí)現(xiàn)工作面自動(dòng)化控制需要全方位的整合與統(tǒng)籌。綜采工作面自動(dòng)化控制技術(shù)模型的建立是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程和技術(shù)難題。首先,需要對(duì)綜采工作面數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析以及評(píng)價(jià),實(shí)現(xiàn)綜采工作面裝備故障及壽命智能診斷、分析與預(yù)測(cè),減少設(shè)備的故障率和提高設(shè)備的開(kāi)機(jī)率;其次,通過(guò)有線或無(wú)線方式遠(yuǎn)程控制關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備,監(jiān)測(cè)其工況,利用采煤機(jī)的自主定位與自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)、煤巖自動(dòng)識(shí)別技術(shù)、液壓支架電液控制技術(shù)、刮板輸送機(jī)自動(dòng)推移技術(shù)、集成供液智能自動(dòng)控制技術(shù)、工作面視頻監(jiān)控技術(shù)、工作面高速雙向通信技術(shù)、集中控制技術(shù)等自動(dòng)完成割煤、移架、移刮板輸