从鲁尔集团调研谈对德国煤矿自动化的认识.pdf

第 4 1 卷 第 8期 2 0 1 5年 8月 工矿 自 动化 I n dus t r y a n d M i ne Au t oma t i o n Vo 1 ． 4 1 NO ． 8 Au g ．2 01 5 。 。 ” “ ’ i 专题报道 ⋯ ． _．1 ⋯ ．⋯ ◆1{ J’ 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 8 0 1 2 7 0 4 DO I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 5 ． 0 8 ． 0 3 2 陈晓晶． 从鲁尔集团调研谈对德国煤矿 自动化 的认识口] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 8 1 2 7 1 3 0 ． 从鲁尔集团调研谈对德国煤矿 自动化的认识 陈晓晶 1 ． 中煤 科 工集 团常州 研究 院有 限公 司 ，江苏 常 州 2 1 3 0 1 5 ； 2 ． 天地 常州 自动化股 份有 限公 司 ， 江 苏 常州 2 1 3 0 1 5 摘要 通过对德 国鲁 尔集团的 自动化采煤技术进行调研和技术交流 ， 概述 了德 国煤矿及其 自动化现状 ， 介绍了部分新技术的应用情况， 重点阐述了鲁尔集团鲁尔煤业 自动化 系统的组成及关键技术 ， 并结合 中国煤 矿 自动化 的现 状及 笔 者的 工作 实践 ， 谈 了对德 国煤矿 自动化 的认 识 ， 为 中国煤矿 自动化 的进 一 步发展 提供 了 部分参考。 关键词 鲁尔集团； 鲁 尔矿业；煤矿 自动化 中图分 类号 T D6 7 2 文献 标志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 5 0 7 3 1 1 5 4 9 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ ww w． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 5 0 7 3 1 ． 1 5 4 9 ． 0 3 2 ． h t ml Und e r s t a n d i n g o f mi n e a u t o ma t i o n o f Ge r ma n b a s e d o n s u r v e y o n Ru hr Gr o u p CHEN Xi a o j i n g f 1． CCTEG Cha ng z h ou Re s e a r c h I ns t i t u t e，Cha n gz ho u 21 3 01 5，Chi n a； 2 ． Ti a n d i Ch a n g z h o u Au t o ma t i o n Co ． ，Lt d ． ，Ch a n g z h o u 2 1 3 0 1 5 ，Ch i n a Ab s t r a c t Cu r r e n t s i t u a t i o n s o f mi n e i n Ge r ma n a n d i t s a u t o ma t i o n we r e s u mma r i z e d a n d a p p l i c a t i o n o f s ome n e w t e c hn o l og i e s wa s i nt r o d uc e d t hr ou gh s u r v e y a n d t e c hn i c a l e xc h a n ge a b o ut a u t o m a t i c m i n i ng t e c hn ol o g y i n Ruh r Gr ou p o f Ge r ma n．Co m p on e n t s a n d ke y t e c hno l o gi e s of a ut o ma t i on s ys t e m o f Ru hr M i n e o f Ru h r Gr o u p we r e f o c u s e d o n． S o me u n d e r s t a n d i n g a b o u t mi n e a u t o ma t i o n o f Ge r ma n wa s di s c us s e d c o mbi n i ng c ur r e n t s i t ua t i o n o f mi ne a u t o ma t i o n i n Chi n a a nd wo r k p r a c t i c e o f t he wr i t e r ．The pa p e r p r o vi d e s s o m e r e f e r e n c e f or f u r t he r de ve l op m e nt o f m i n e a ut oma t i on o f Ch i na． Ke y wo r ds Ru hr Gr ou p；Ru hr mi n i ng；mi ne a u t o m a t i o n 0 引言 2 0 1 4年 3月 ， 笔者参与了煤矿 自动化赴德考察 团， 对德国目前唯一 的煤炭开采公 司鲁尔集 团 鲁尔煤业及相关 自动化配套制造商进行了 自动化采 煤 技术 的调研 考 察 和 技 术交 流 。通 过 本 次 调研 ， 对 德 国煤 矿 自动化现 状 、 理念 及 先 进 技术 进 行 实 地 考 察 ， 对部分新技术实践应用情况进行了验证 ， 并结合 中 国煤 矿 自动化 的实 际情 况 ， 加 深 了对 德 国 煤矿 自 动化 的认 识 ， 为德 国煤 矿 自动 化 先进 理 念 和 技术 引 进、 吸收 、 消化 、 改 良， 以及中国煤矿 自动化的进一步 发展提供 了基础资料及依据。 1德 国煤 矿及 其 自动 化现状 1 ． 1 鲁 尔集 团 鲁 尔集 团及旗 下 的鲁尔 煤业 是德 国 目前 唯一 的 收稿 日期 2 0 1 5 0 6 2 3 ； 修回 日期 2 0 1 5 0 7 0 2 ； 责任编辑 李 明。 基金项 目 中国煤炭科工集团有限公 司科技创新基金面上项 目 2 0 1 4 MS 0 2 7 。 作者简 介 陈 晓晶 1 9 8 1 一 ， 男 ， 江苏南 通人 ， 工 程师 ， 现 主要从 事煤矿 自动化 、 数字化 和信 息化系统设 计 、 开发和 实践等方 面的研 究工作 ， E ma i l c h x j me 1 6 3 ． c o m 。 1 2 8 工矿 自动化 2 0 1 5年 第 4 1卷 煤炭开采公 司。1 9 6 8年 1 1月 ， 为整合德 国煤矿开 采企 业 ， 鲁尔 集 团正 式 成 立 ， 其 整 合 了德 国 8 O 的 煤炭 企 业 ， 包 括 5 5个 煤 矿 、 2 9个 炼 焦 厂 、 5个 煤砖 厂 ， 同时将与煤矿相关 的化工企业等非煤产业进行 了重 组 ， 划 人集 团公 司 经 营 范 围 内 。鲁 尔 集 团分别 在 1 9 9 8年和 1 9 9 9年先 后并 购 了萨尔煤 矿集 团 和伊 本 比伦地 区 的普鲁 士 无 烟 煤公 司 ， 从 真 正 意 义 上 整 合 了德 国本土所 有 的煤炭 企业 。 随着 开 采 深 度 的增 加 和煤 层 的延 伸 ， 目前 鲁 尔 集 团开采深 度 已经达 到 1 6 0 0 n 3 。为 了保 证 企 业 高 效、 可持续性的生产， 鲁 尔集 团必需进行必要 的、 连 续 的技术 系统研 发 和设备 升级 。 目前在鲁尔区和伊本 比伦地 区进行采煤作业 时 ， 首 先要 面对 和克 服一 系列复 杂 的问题 多煤 层 同 时作业 ； 工 作 面 大 采 深 1 1 4 0 ～ 1 5 2 0 m ； 高 地 压 4 0 MP a 和 其 他 压 力 ； 高 温 6 4 ℃ ； 瓦 斯 突 出 1 5 ～ 4 0 m。 ／ t 。 目前 鲁尔 集 团下属 的哈 尼 尔矿 、 维 多 利 亚矿 和 伊 本 比伦 矿都 属 于 工作 面 高 效 开 采矿 井 ， 在 高产 能 的同时 ， 保持 了低 事故 率 ， 正 是矿 井开 采 中运用 了正 确的设备和合理 的开采技 术的结果。同时 ， 多年 的 实 际经 验也是 高效 率 开采 的必备 条件 。 鲁尔集团专业的煤矿开采技术是在本土煤层开 采 的复杂 条件 下蕴 育 并 发 展 起来 的 ， 其 中 的一 些 核 心技 术 和设备 ， 如 刨 煤 机 、 支 护设 备 、 世 界 主流 煤 矿 开采设备 、 矿山 自动化技术等 ， 仍然在当今世界煤炭 开采 领域 被使 用 。同时 ， 鲁 尔 集 团 把 多 年来 得 到 的 宝贵 经验 也输 出到美 国 、 澳 大利亚 等 国家 。 随着 企 业 组织 结 构 转 型 和德 国国 家政 治 、 经 济 层 面侧重 点 的转变 ， 鲁 尔 集 团逐 渐将 这些 宝 贵 经 验 运 用 到能 源企业 的管理 中。在 以应 用经 验为 基础 的 条件下， 总结和调整各子环节系统的规划 ， 使其更符 合 能 源企业 管 理结 构发 展 的需 要 。在矿 井开 采和 经 营 中得 到 的 自有 经验 被保 留在 已成 熟 的知识 管理 体 系里 ， 并应用 于 自身和 为客户 提供 的实 际规划 过 程 中 。 1 ． 2 鲁 尔集 团矿 山 系统 有 限公 司 鲁尔集 团矿 山系统有 限公 司依 靠鲁 尔煤业 雄 厚 的专业 技术 知识 ， 向全 世 界 煤 矿企 业 提 供 专 业 咨 询 和培训服务 ， 如掘进 和支护 、 开采、 通风降温和瓦斯 抽 排 、 水泥 填 充物 料 输 送 、 矿 山物 流 、 机 电／ 自动 化 、 设备／ 生产质量检测、 职业劳动健康和环境保护／ 工 业 治 理等技 术 。 鲁 尔集 团矿 山 系统有 限公 司可 提供 整套 的矿 山 开 采 全过程 优化 方 案 ， 包 括 井 下深 层 开 采 以及 露 天 开 采领 域 的设 计 、 研 究 和 可 行 性报 告 ， 执行 规 划 、 建 设 和生 产 ， 停 产 和土地 再利 用 ， 以及多 样式 的工 程服 务 。该 公 司的另 一项 重点业 务是 向国际市 场销 售矿 业 二手设 备 、 工业 设备 、 火力 发 电厂设 备等 _ 1 ] 。 1 ． 3 鲁 尔集 团的 自动化进 程和 优 势 德 国的煤 炭 工 业领 域 在 很早 以前 就 意识 到 ， 在 机械 化过 程 中无止 境 的追求设 备 制造 的更 大 、 更 重 、 更 强 ， 并 不能 有效 地提 高生 产效 率和经 济效 益 ， 但 设 备和设备系统 的生产效率可通过 自动化技术得到持 久 、 有效 的提 高 。 第一 ， 通 过生 产过 程 的合 理 化调整 ， 可 以减少 流 动环节 ， 缩减工作人员。第二 ， 在 自动化环节中不会 涉及设备疲劳 、 走神 、 受情绪波动等因素 的影响， 提 高了生产效率和可靠性 。第三， 通过生产过程 自动 化， 可提高工作精度 ， 从而提高工作质量。第四， 通 过 自动化 环节 可释 放 更 多 的设 备 资 源 ， 在该 环 节 内 设 备 将不必 由人工 进 行 手 动操 作 ， 不 仅 可 以延 长 机 器设 备 的使 用 寿命 ， 还 降低 了维 修 设 备 的 成 本 。第 五 ， 通 过 自动化 进程 ， 可 大大减 轻 矿工在 井 下 的工 作 量 ， 改 变单 调 、 重 复 工 作 的情 况 ， 同 时避 免 因长 时 间 操 控 复杂设 备 而 出现 过 度 疲 劳 ， 提 高井 下 作 业 的 安 全 系数 ， 实 现在 局 部 危 险 区域 的无 人 作 业 。随 着 自 动 化生 产管 理 的实 现 ， 1 9 9 0年 以 后 ， 鲁 尔 集 团 的 伤 亡 事故 减少 了 8 0 。 自动化 的发 展不 只为 生产 过程 中 的单一个 体 带 来 了利 益 ， 最 重要 的是 通 过 自动 化 进 程 减 少 了企 业 的生产 成本 ， 提 高 了 生产 效 率 。对 此 提 出的 要 求 是 将 整个 生产 过程 展 现 出来 ， 并 将 井 下 采 集 的数 据 更 加透明地提供给管理者。信息的透明化可以实现对 生 产过 程 中薄弱 环节 的分 析 预 测 ， 并 向管 理 者提 供 过程改善和优化的决策依据 。 通 过 多年 的发 展 ， 鲁 尔集 团坚定 地 致 力 于从 单 一 工作环节 自动化到建立以信息和通信系统为基础 的矿井综合 自动化体系， 并取得了很好 的成效 。 2 鲁尔 煤业 自动化 系统组成 鲁 尔煤业 自动 化 系统 以地 面监控 调度 中心 为核 心 ， 对井 下各个 生产 流 程进行 综合 监视 和集 中控 制 ， 实 现从地 面 对 井 下 人 员 调 度 和 设 备 操 作 的 整 体 控 制 ， 同时 达 到 每 天 2 4 h 、 全 年 全 天 候 持 续 作 业 。过 程优化和提高产能是监控调度中心组织和设计的基 本原 则 。 以鲁 尔 煤 业 哈 尼 尔 矿 监 控 调 度 中 心 图 1 为 2 0 1 5年 第 8期 陈晓 晶 从 鲁 尔集 团调 研谈 对德 国煤 矿 自动化 的认 识 1 2 9 例 ， 其空间被划分为多个不同的功能区， 每一个功能 区设置多个监控台， 每个监控台有专人负责监控调 度工 作 。 图 1鲁 尔煤 业 哈 尼 尔矿 监控 调 度 中 心 布 置 鲁 尔煤业 自动化 系统 主要包 括基 础设 施监控 系 统 、 煤 流运输 监控 系 统 、 物 流 监 控 系统 、 综 掘 监 视 系 统 、 综采 监控 系统 。 2 ． 1基础设 施 监控 系统 基 础设施 监控 系统 对整 个井 下 的运行 过程进 行 监测和控制 ， 同时与其他监控系统进行协调 ， 从而使 矿井基础设施能够满足矿山计划的采煤和掘进作业 要 求 。基 础设 施 包 括 供 电 、 供 气 、 供 水 、 中央 泵站 等 相 关设 备 该 监控 系统 负责 收集基 础设 施 出现 的停机 和故 障信息 ， 监控人员将其传送给专职负责人员 。例如 ， 监控人员负责井下水位数据监视和记录， 当数据发 生偏差 时及 时通 知井 下技 术维护 人员 并协 调必 要 的 维修工作 ； 当井下出现意外状况时， 基础设施监控岗 位人员可配合 安全监控 岗位 人员 ， 协 助井下救 援人 员 工作 ， 随时提供 准确的矿井基 础设 施运行状 态数据 。 2 ． 2煤 流运输 监控 系统 煤流运输监控系统对全部煤流输送带的运行进 行监视 、 控 制和 协 调 。该 系 统 覆 盖 了工 作 面 巷 道输 送带 、 煤仓 、 主要带式输送机等煤流运输设备 。监控 人员 利 用 该 系 统 尽 可 能 保 证 煤 流 运 输 的 无 障 碍 运行 。 该 系统 监 控人 员 与 采煤 、 掘进 监 控人 员 以及井 下人员相互配合 ， 重点监控带式输送机停机情况下 出现 的 问题并 进行 处 理 ， 同时 合 理利 用 部 分 带 式输 送机 的停 机 时间进 行 设 备 维 护 ， 从 而减 少 不 必 要 和 计划外的停机情况 。监控人员借助安装在输送带沿 线基于 I P语音通信技术 的对讲机和电话与井下人 员协 同作 业 。 2 ． 3物 流监控 系统 物 流监控 系统 实现 对地 面和井 下 物流运 输作 业 的全 面监 视 和控 制 ， 同 时 可显 示 当前 运 输工 具 和 司 机等操作人员 的信息。系统监控人员与井下物流运 输人员可随时借助通话设备取得联 系， 从而对运输 行程 表进 行及 时调 整 。运输 行程 表 已考 虑 了对地 面 新物料和井下 旧物料的提前分类和优化运输。当井 下 急需 物料 时 ， 监 控 人 员 可 紧 急对 运 输 行 程表 做 出 必要 的修改 ， 以避免发生停产待料情况 ， 例如当刨煤 机 或滚 筒采煤 机 电动机 发 生 故 障 时 ， 及 时将 备 用 电 动 机运 输 到现场 。 井下每 台运 输 车 辆 上都 配 备 了通话 设 备 和 P D A P e r s o n a l Di g i t a l As s i s t a n t ， 个 人 数 字 助 理 ， 这些设备通过矿井中安装 的 Ac c e s s P o i n t 接人点 将 语音 和数 据 信 号 上 传 到集 控 中心 。Ac c e s s P o i n t 还 可 实现 井 下 运 输 车辆 定 位 。P D A 可用 于查 阅运 输 行程 表 和扫描 运输 车辆 上 的条 形码 物料 清单 。 2 ． 4综掘 监视 系统 综掘监视系统可 以完成对综掘作业的监控 ， 并 为综掘工作人员提供相应的协助。综掘工作主要由 掘进 现场人 员执 行 操 作 ， 主 要 包 括掘 进 、 打锚 杆 、 搭 棚和充填等。监控人员负责收集 和处理综掘过程中 产生的数据 ， 同时按矿 山管理层的要求对综掘和炮 掘作 业进行 数 据统计 。 当井 下 发 生 意外 状 况须 撤 离 现场 掘 进 人员 时 ， 综掘监控台人员负责联合矿井监控 中心其他岗位人 员安 排井 下人 员撤 离 。 2 ． 5 综 采监控 系统 综采 监控 系统 由 5个 监 控 台组 成 ， 可 对 5个 不 同的综采 工作 面 同 时进 行 监视 和控 制 ， 监 控 范 围从 工作面开始到工作面巷道输送带交接处结束 ， 之后 工作区域的监控由煤流运输监控系统衔接进行。 系统监控人员主要负责通过可视系统对测量数 据、 警告和警报信号进行监视 ； 对采煤设备进行优化 控制和使用 ， 从而延长设备使用寿命。 井 下综 采 作 业操 作 完全 由 系统 监控 人 员 指挥 ， 以便与井下负责人员进行紧密联络和协调 ， 井下人 员 同时起 到配 合 作 用 。 当发 生 故 障 时 ， 系统 监 控 人 员将停机原因通知井下人员 ， 并组织现场进行故障 排 除 ， 同时及 时对 综 采 环节 的运 行 信 息进 行 协 调 处 理 。系 统监控 人 员和井 下人 员可 随 时通过 安装在 综 采工作面的对讲设备和 I P电话取得联系。 3鲁 尔煤矿 自动化关 键技 术 3 ． 1 矿 山管理报 告 系统技 术 在 鲁 尔煤 业 自动化 进 程 中 ， 不仅 研 发 了运 行 可 1 3 O 工矿 自动 化 2 0 1 5年 第 4 1卷 靠和模块化 的可视化监控 系统 ， 还搭建 了完整的矿 山管理报告系统 。根据矿井管理层和操作人员的实 际需 要 ， 以监控 系统 收集 的数据 为基 础 ， 矿 山管理报 告系统可提供量身定做的数据报告 。这些选定的数 据 如 停机 、 煤 产量 等 将 被 制 定在 每 个 工 作 点标 准 化的报告中， 部 门负责人可在线通过 网页链接进行 查看。同时这些 报告也可作为维修 人员的分析工 具， 对设备停机情况进行分析 ， 为矿井 的安全高效运 行提供数据依据。所有工作人员可在每班之前和当 班时 ， 随时通过矿山管理报告系统在线掌握工作任 务 内容和相关工作环节信息 ， 有利于各 岗位工作进 度 的协 调 和配合 。 3 ． 2 井下 自动 化控 制技 术 通 常设 备 数 据 是 从 井 下 传 达 到 井 上 数 据 收 集 站 ， 不同厂商的设备有不 同的专用数据 收集站 。数 据 经 收集站 的处 理再 传 给可视化 系统 。鲁 尔煤业 采 用 了不 同 的数据 传 输方 法 ， 即数 据 在 上 传 到地 面 之 前通过控制器进行先期处理。此外， 井下设备 的极 限值 可 在地 面进 行更 改 ， 可 随 时根 据 井 下设 备 使 用 条 件及 状态 的变 化对设 备 进行调 整 。 经过生产实践的考验 ， 鲁尔煤业逐渐总结出了 固定的控 制技术 应用方 案 使用 在嵌入 式计 算机 I P C上 运 行 的 软 件 P L C S o f t P L C 进 行 过 程 控 制I 2 ； 利用现场总线完成传感器、 执行器和控制器之 间的数据传输 ； 使用 网络技术完成各控制器之 间以 及井下到地面的数据传输 ； 使用具有现场总线接 口 的供电、 供气和供水设备 ； 统一标准的控制器和开关 设 备 。 在鲁 尔煤 业 井 下 ， 包 括 掘 进 工 作 面 、 煤 流 运 输 、 排水 、 通风、 供 电等各个环节均采用该 自动化控 制 技术 。 采 用该 自动化 控 制 技术 ， 井 下 I P C除 了可 对 各 设 备进 行 逻 辑 协 同 控 制 外 ， 还 能 实 现 数 据 与 其 他 I P C及地 面服 务器 的分 布式交 互控 制 。 3 ． 3采煤 工作 面 自动化监 控软 件技 术 鲁尔煤业研发了适合本煤矿的专用核心软件技 术 ， 更加完善了综采工作面的 自动化控制 。该软件 技术功能 实现支架控制 和滚筒采煤机当前及历史 测量 和状 态数 据 的可 视 化 ； 准 确 处 理 和显 示 工 作 面 空 间信 息 ； 控 制每个 液 压支架 处 的工作 面 高度 ， 通 过 图示 界 面调节 工作 面高 度 ； 比较 采 煤 机截 割 设 定 值 和实际值 ， 优化截割型板； 计算采煤机和液压支架间 距离及设备碰撞预警参数 ； 计算和显示工作面变形 数据 。 4对德 国煤 矿 自动化 的认识 通过 本次 对鲁 尔集 团鲁 尔煤业 自动 化状 况实 地 调研 ， 结合 中国煤矿 自动化、 数字化和信息化的发展 现状 ， 形成 了如下认 识 1 从煤 矿 自动 化 的发 展 历程 和 理念 来 看 ， 从 机械化到单一环节 自动化再到综合 自动化 ， 中国和 德国有相同的发展历程 ， 其整体 自动化理念也是一 致 的 。而 目前 中 国 的煤 矿 自动化 相 比德 国 ， 正 更 进 一 步 向数字化 、 信息化和智能化方 向发展l_ 3 ] 。 2 德国煤矿的 自动化设计 、 研究和实践模 式 与中国不一样 。德国只有鲁尔煤业这一家煤炭开采 公司， 其既是煤矿 自动化 的设计者 ， 又是使用者 ， 而 且德 国工 业 自动化 本 身 处 于世 界 领 先 水 平 ， 各 自动 化设备和系统配套厂家实力雄厚 ， 因此 由鲁尔集团 牵头形成的德国煤矿 自动化模式一定是最适合鲁尔 煤业使用的。而中国煤矿 自动化都是由设计单位或 研究单位牵头设计 ， 集成商完成实施 ， 最终由煤矿使 用的， 存在设计和使用的严重脱节 ， 且中国的煤业集 团存 在数量 多 、 分 布广 、 工 况差 异 大 的 特 点 ， 因此 很 难找到一种 自动化模式适合所有煤矿。 中 国应 该对 德 国先进 的煤 矿 自动化 技术 和理 念 进 行 引进 、 消化 、 吸收 、 改 良， 学 习德 国人严 谨踏 实 的 工作作风 ， 重点做好煤矿底层 自动化r 4 ] ， 改变以往以 厂家为主的建设模式 ， 充分发挥煤矿企业在 自动化 建 设 中 的主导作 用 ， 最终 形成 以用 户主 导 、 量 身定 做 的新型煤矿 自动化建设 和使用模式 ， 在实际煤矿生 产 过程 中 ， 真正 达到 自动化 减人 、 提 效 、 增 产 的 目的 。 参 考文献 [ 1 ] 张蕊． RA G为矿 山企业量 身定制优化 的解决方案 [ J ] ． 矿业装备 ， 2 0 1 1 增刊 2 9 0 - 9 1 ． [ 2 ] 荆志 刚． 德 国最新 控制 技术一s 0F T P L C[ J ] ． 机 电一 体化 ， 1 9 9 8 5 3 1 ． [ 3 ] 张 申． 煤 矿 自动 化 发 展趋 势 [ J ] ． 工矿 自动 化 ， 2 0 1 3 ， 3 9 2 2 7 3 3 ． [ 4 ] 赵增玉． 煤矿企 业 自动化建设 需重 视 的问题探讨 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 1 ， 3 7 1 5 5 - 5 6 ．