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第 4 1卷 第 6 期 2 0 1 5年 6月 工矿 自 动化 I ndus t r y a nd M i ne Au t oma t i on Vo 1 ． 4l NO ． 6 J u n ．2 O l 5 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 l X 2 0 1 5 0 6 0 1 0 1 0 3 DOI 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 6 ． 0 2 5 苏正飞 ， 张现余 ， 丁从师， 等． 综采工作面 自动化控制系统设计[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 6 1 0 1 1 0 3 ． 综采工作面自动化控制系统设计 苏正 飞 ， 张现 余 ， 丁从 师 ， 吕磊 ， 彭庆 国 ， 张先 胜 ， 郑 家 宋 国投新 集 能源 股份 有 限公 司 ， 安 徽 淮南 2 3 2 0 0 1 摘要 为 了实现 综采 工作 面设备 的 协 同 自动 化运 行 ， 设 计 了一种 综 采 工作 面 自动化 控 制 系统 ， 介 绍 了 工 作 面“ 三机 ” 控 制 系统 、 带 式输送 机控 制 系统 、 采煤 机控 制 系统 、 液压 支 架 电液 控制 系统 、 泵站 控 制 系统的构 成 和 功能 实现 。该 综采 工作 面 自动化 控制 系统 的应 用 实现 了工作 面各子 系统 内部 全 面的信 息集 成 ， 通过 工作 面集控 系统可有效对综采工作 面设备进行集中控制。 关键 词 综采 工作 面 ；自动化控 制 ； 协 同运行 ；集 中控 制 中 图分类 号 TD5 2 3 ／ 6 7 文献 标志 码 B 网络 出版 时 间 2 0 1 5 0 5 2 9 1 5 1 4 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 5 2 9 ． 1 5 1 4 ． 0 2 5 ． h t ml De s i g n o f a ut o ma t i o n c o n t r o l s y s t e m o f f ul l y me c h a n i z e d c o a l{ a c e SU Zhe n gf e i ， ZH ANG Xi a ny u，DI NG Co ng s h i ，LYU Le i P ENG Qi n g g u o， Z HANG Xi a n s h e n g， ZHENG J i a s o n g S DI C Xi n j i En e r g y C o． ，Lt d． ，Hu a i n a n 2 3 2 0 0 1 ，Ch i n a Ab s t r a c t I n or d e r t o r e a l i z e c ol l a b o r a t i v e a u t o m a t i o n r u nn i n g o f e q u i pme nt s o n f ul l y me c ha ni z e d c o a l f a c e，a n a u t o ma t i o n c on t r ol s y s t e m o f f ul l y me c ha n i z e d c o a l f a c e wa s de s i g ne d，c o mpo s i t i o n a n d f unc t i on r e a l i z a t i o n of t hr e e m a c hi ne c o nt r o l s y s t e m ，be l t c o nve y or c o nt r o l s y s t e m ，c o a l s he a r e r c on t r ol s y s t e m ， e l e c t r o h yd r a ul i c c on t r ol s ys t e m of hy dr a ul i c s up po r t a nd p ump s t a t i o n c o nt r o l s y s t e m we r e i n t r od uc e d． Ap pl i c a t i o n o f t h e a ut o m a t i on c o nt r o l s y s t e m o f f u l l y me c h a ni z e d c o a l f a c e r e a l i z e s c o m p r e he n s i v e i nf o r m a t i o n i nt e gr a t i on o f t he s u bs ys t e ms，a nd c e nt r a l i z e d e q ui p me nt c o n t r ol of f ul l y me c ha n i z e d c o a l f a c e t hr ou gh c e nt r a l i z e d c o nt r o l s ys t e m ． Ke y wo r d s f u l l y m e c ha ni z e d c oa l f a c e；a ut oma t i on c on t r o1 ；c o l l a bo r a t i o n r unn i ng；c e nt r a l i z e d c o n t r ol 0 引言 随着 国内外煤 炭 行业装 备 制造 和 自动化 控制 技 术 的发展 ， 煤 矿综 采 工 作 面 子 系统 设 备 的 自动 化 程 度 已有长 足进 步 ， 单 体 设 备 的 自动 化 和 半 自动 化 运 行 已基 本 实现 ， 但 目前 整个 工 作 面 设 备 的协 同 自动 化运行 尚处于探索阶段n ] 。笔者通过综合应用现 场 总线 、 实 时工业 以太 网 以及 可 编 程 自动 化控 制 器 Pr o g r a mma b l e Au t o ma t i o n C o n t r o l l e r ， P AC 设 计 了 一 种综 采 工作 面 自动 化 控 制 系 统 ， 可 实 现 综 采 工 作 面各 子系 统 内部全 面 的信息 集 成 以及 各 子 系统之 间 的信 息互 通 。 1综 采工 作 面 自动 化控 制 系统构 成 综 采工 作 面涉及 的控制 系统 主要有 带 式输送 机 控制系统、 工作面“ 三机” 刮板输送机、 转载机、 破碎 机 控 制系 统 、 泵 站控 制 系统 、 采煤 机控 制 系统 、 液 压 支架电液控制系统等 。工作面“ 三机” 控制系统的主 控 制器 同 时作 为工 作 面 集 控 系 统 的 主控 制 器 ， 通 过 现 场 总线 和实 时 以太 网协议对 整个 工作 面 的设备 信 息 进行 集成 ， 对 整个 工 作 面系 统 进 行 统一 协 调 和 控 制 [ 引。综 采 工 作 面 自动 化 控 制 系 统 结 构 如 图 1 所 示 。 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 4 2 3 ； 修回 日期 2 O 1 5 一 O 4 2 7 ； 责任编辑 盛男 。 作者 简介 苏正飞 1 9 7 0 一 ， 男， 安徽淮 南人 。 _T程师， 从事煤 矿机 电管理 、 煤矿 自动化建设和研究工作 ， E - ma i l l o v e l i f e 0 6 1 2 6 ． c o rn。 1 0 2 工矿 自动化 2 O 1 5年 第 4 1卷 ～矗 搞 增强蒹蒴。 案 搁 ～ { O P C 带式输送机 主控制器 实时以太网 交 换 机 工作面 “ 三机 ” 主控制器 实时以太 网 实时以太 网 实时 以太 网 主控制器 躺总线 液 蹇 皇 鎏 譬 制 液 压 支 架 系 统 主 控 制 器 ’一 ⋯ 图 l 综采工作面 自动化控制系统结构 根据传动装置的不 同， 带式输送机控制 系统 的 构 成 略有不 同。采用 液 力 偶 合 器 包 括 调 速 型和 限 矩 型 传动 时 ， 一 般不 针对 传动 设备 配置专 用控 制 系 统 ； 可控 启 动 传 输 C o n t r o l l e d S t a r t Tr a n s mi s s i o n ， C S T 系 统通 常 配有 专 用 控 制 系统 对 带 式 输送 机 的 启 动 、 停止 过程 以及 功率平 衡等 进行 控制 ， 带式 输送 机控制系统通 过干接点以及 总线通信方式 向 C S T 系统 的控 制 系 统 发 送 启 动 、 停 止 信 号 ， 同时 采 集 故 障 、 报警 以及测 量 值信 息 ； 采用 变 频 器 驱 动 时 ， 带 式 输送机控制系统一般通过现场总线采集变频器运行 状态 、 故障、 测量值等信息 ， 通过干接 点向主驱动变 频器发送启动 、 停止以及急停信号 ， 各变频器根据主 从关 系 和相关 设置 由变频 器控 制 系统 自动进 行功 率 匹配 。带 式输 送机 采 用 液 压 制 动 和液 压 张 紧设 备 ， 各 配 置 1套小 型 P L C控制 系统 ， 通过 Mo d b u s R TU 现场总线通信协议[ 与带式输送机主控制系统进行 通信。带式输送机变电所配电设备通过 P r o mo s 或 Mo d b u s R TU 等 协议 向 带式 输 送 机 控 制 系 统 发 送 运行状态、 测量值和故障信息， 同时接收带式输送机 控 制 系统 发 送 的控 制 命 令 。带 式 输 送 机 沿 线 的 保 护 、 急停、 载波通信和其他传感器信息的集成由带式 输 送机 控制 系统 通 过 基 于 R S 4 8 5的 现 场 总 线 系 统 实现 。带式 输送 机控 制系 统通过 光纤 工业 以太 网 ] 并 利 用 O P C通 信 协议 与地 面 中央 管 控 系统 进 行 信 息交 互 。带式 输送机 控 制系统 结构 如 图 2所 示 。 除 了在 刮板 输送 机机 头和机 尾 以及转 载机 机头 设 置 有辅 助控 制器外 ， 工 作 面“ 三 机” 控 制 系 统构 成 与采用液力耦合器传动时的带式输送机控制系统构 成基 本一 致 。 工 作 面泵 站 电动 机设 备 采 用 直接 启 动 方式 ， 各 测量 值采 集方 式与带 式输 送机 沿线保 护 和其他 传感 器信 息集成 方 式一致 ， 主 控设备 选用 小 型化 P AC。 一 ‘ 工业 以太 弼 蓑 盏 缓 Mo⋯ d b ～u s R ‘T ‘ U 带 式输送 机 主控制器 扬 声 器 嚣 急 菁 墓 线 采 集 器 采 集 器弄 晕。 Mo d b u s R T U 蘑 张紧设备 Mo d b u s R T U ／控制器 2综 采 工作面 自动 化控 制 系统功 能 2 ． 1 带式输 送机控 制 系统 选用 Mi n i n g Ma s t e r 可 编 程 自动 化 控 制 系 统来 监测 和控 制 带 式 输 送 机 的运 行 ， 对 象 包 括 供 电 、 驱 动 、 制 动 、 张 紧 、 保 护 以及 沿线 其他 设 备 等 。 同时 通 过 P r o Vi s I T上位 机组 态 软 件 对带 式输 送 机 运 行 状 态及 故 障信息 进行监 控 。带式 输送 机控 制 系统监 测 内容 带式 输送 机 运 行 相关 的各 种 保 护 ， 如 打 滑 、 跑 偏 、 堆煤 、 烟雾 、 胶 带 纵 向撕 裂 、 喷 雾 等 ； 带 式输 送 机 运 行相关 的测 量 值 ， 如 胶 带及 滚 筒 速 度 、 负 载 功 率 、 载 货量 、 电动 机 电流 和 供 电电压 、 电 动机 线 圈温 度 、 减 速机及 驱 动滚筒 轴承 温度 、 消 防水压 力 、 张紧力 及 张 紧设备 位 置 、 耦合 器 油位 和油温 、 耦合 器输 出速 度 等 ； 带式输送机相关设备的动作和状态 ， 如制动闸分 合 状态 、 制动 闸和张 紧 设 备液 压 站 电动 机 和 阀 门 的 动 作情 况 、 相 关供 电设 备 的动作 及运行 状 态等 。 带式输送机控制系统设置 自动、 半 自动、 远程和 检 修 4种运 行模 式 。在 自动 模 式 下 ， 系 统 自动 检 测 运 行条 件 ， 当 运 行 条 件 满 足 时 ， 带 式 输 送 机 自动 启 动 。启 动信 号结 束后 ， 带式 输送 机开 始运 行 ， 相 关 的 其 他设 备按 照一 定顺 序接 连启 动 ， 启 动过 程 预警一 制动 闸 打 开一 驱 动 顺 序 启 动～ 动 态 张 紧一 满 速 运 行 。当系 统检测 到 运 行 条件 不 具 备 、 有 急 停 或 故 障 信息时 自动停止带式输送机。自动模式下所有的保 护和 闭锁都 处 于 工作 状 态 。在 半 自动 模 式下 ， 只要 所有 启动 条件满 足 ， 按 下 带式输 送机 的启 动按 钮 ， 带 式输 送机 即启 动 运 行 ， 启 动 过 程 与 自动 模 式 一 致 。 半 自动模 式 下 带 式 输 送 机 所 有 监 测 和 保 护 同样 有 效 。在远 程模 式下 ， 系统 只有 得 到 地 面 中央 管 控 系 统的启动允许命令方可运行 ， 运行模 式与 自动模式 一 致 。在 检修模 式 下 ， 系统 只能点 动 ， 点 动运 行时 间 通过 参数 进 行 设 置 ， 超 过 设 定 时 间 必 须 重 新 点 动 。 2 0 1 5年 第 6期 苏正飞 等 综采 工作 面 自动 化控 制 系统设 计 1 0 3 检 修模 式下 只有 停 止 按 钮 、 急 停 闭 锁 以及 制 动 闭 锁 有效 ， 其他监测和保护都不起作用。为适应现场多 变 的环境 ， 在任 何模 式 下 ， 都 可 以通 过设 置灵 活选 择 要 启 动 的驱 动 。 2 ． 2 泵 站 控 制 系统 选用 Mi n c o s 紧凑 型 P AC作为 主控 制器来 监 测 和控 制泵 站 的运 行 ， 对 象 包 括 乳 化 液 泵 和 喷 雾 泵 。 通 过 P r o Vi s I T 上位 机 组 态 软件 对 泵 站 运 行 状 态 及 故 障信 息进 行 监控 。泵 站控 制 系统监 测 内容 主要 包 括 泵 站 出 口压 力 、 水 箱 水 位 、 乳 化 液 液 位 、 润 滑 油 油 位 和 油温 、 电动机 电流 和 电压等 。 泵 站控 制 系 统 设 置 自动 、 半 自动 、 远 程 和 检 修 4种运行模式。在 自动模式下 ， 系统根据工作 面液 压 支 架 电液控 制 系统传 输 的移 架方 式和 采煤 机运 行 信 号 ， 按照 预设 的运 行模 式 自动 选择 泵 的运行 数量 ， 并 根 据泵 站输 出压力 通 过 电磁 阀 自动 进 行 加卸 载 。 在 半 自动模 式 下 ， 系统 通过手 动 选择 泵 的运行 数量 ， 并 根据 设 定 的 压 力 范 围 自动 加 卸 载 。在 远 程 模 式 下 ， 系统 只有 接到 工作 面 集控 系统 的 主控 制 器 或 地 面 中央管控 系统发送 的运行信号后 才能运行 ， 运行 模 式 与 自动模 式一 致 。上述 3 种 模式 下 泵站 的各 种 保 护 和 闭锁都 处 于 工 作 状 态 。在 检 修 模 式下 ， 系 统 只能通过现场的多位开关点动 ， 此时各类保护和闭 锁 不起 作用 。 2 ． 3工作 面“ 三机 ” 控 制 系统 选用 Mi n i n g Ma s t e r 可编程 自动化控制系统来监 测 和控 制 工 作 面 “ 三 机 ” 。除 可 通 过 Mi n i n g Ma s t e r 对工作面“ 三机” 进行 自动、 半 自动、 远程和检修模式 的选择 外 ， 还可 通过 辅 助 控 制 器 对 工作 面“ 三 机 ” 分 别进行 自动和检修模式的选择。工作面各子控制系 统 运行 模式 的转 换必 须 在设 备停 止状 态下 进行 。 在 自动 模 式下 ， 工 作 面 “ 三机 ” 控 制 系 统通 过 轮 询检测启动条件 ， 在 自身启动条件满足和同时获取 带式输送机运行信号 的情况下 ， 自动启动运行。系 统 启动 过程 首 先发 送破 碎机 启 动预警 信 号 ， 启 动 预 警 信号 结束 后破 碎 机 启 动 ； 收 到 破 碎 机 运行 反 馈 信 号后 ， 发送转载机启动预警信号并打开冷却水阀门， 当冷却水流量在规定时间 内没有达 到规定值时 ， 中 断启动过程 ， 报转载机冷却水流量不足故障； 转载机 启动预警信号结束和收到有冷却水信号后 ， 转载机 开 始低 速运 转 ， 经过 一段 设定 的 时间 根据 经验 可设 8 ～1 0 s 后 变 为 高 速 运 转 ； 收 到 转 载 机 高 速 运 转 信 号 后 ， 发 送 刮板输 送 机 启 动 预 警 信 号 并 打 开 主驱 动 和从驱动装置的冷却水阀门， 若经过一段设置 的时 间 如 3 s 后 ， 主驱动和从驱动装置的冷却水流量没 有 达到 要求 ， 则终 止 刮板 输送 机启 动过 程 ， 发 出刮 板 输 送机 驱动 装 置无 冷 却 水 故 障报 警 ； 同 时 收到 主 驱 动 和从 驱动 装置 有 冷 却 水 的反 馈 信 号 后 ， 刮 板 输 送 机 上部 驱动 耦合 器 开 始 充 液启 动 ， 随 后依 次 对 其 他 驱 动耦 合器 充 液 ， 各 驱 动 耦 合 器 充 液 时 间 间隔 需 根 据现场供水压力及流量设定， 在充液 过程 中如检测 到水压 过低 且超 过 设 定 时 间 ， 则 终 止启 动过 程 并 报 主 ／ 从驱 动充 液压 力不 足故 障 ； 充液 过程 中无 压力 不 足 故 障 、 相关 继 电器 和接 触器 动作 反馈 正常 ， 系统 正 常启动 ， 进入 运 行状 态 。 在 半 自动 模 式 下 ， 除 在 转 载机 正 常 运行 后 需 手 动 发送 刮板 输送 机 启 动 信 号外 ， 启 动 过程 与 自动 模 式 相 同 。在 远程 模 式 下 ， 除 需 要 地 面发 送 工 作 面 运 行 允许 信号 外 ， 其 他 与 自动模式 一致 。在 自动 、 半 自 动和远程模式下 ， 每个设备和系统的保护 和闭锁均 有效 ， 任何故障和闭锁都会导致系统停止运行 。 在检修 模式下 ， 转 载机和刮板 输送机可 进行解 锁 运 行 ， 并 可 通 过 Mi n i n g Ma s t e r 和 辅 助 控制 器 对 转 载 机 和刮板输送 机 进行 反转 点 动操 作 。同 时在该 模 式 下 ， 可对每一个单独的设备或驱动电动机进行点动控 制 ， 除了急停安全 回路有效 外其他监测 和保护失效 。 3 结语 综采 工 作 面 自动 化 控 制 系 统 在 口 孜 东 煤 矿 1 3 0 3工作面进行 了应用。该系统通过对 工作 面设 备的全面信息集成 ， 实现 了综采工作 面设备 的协同 运行和集 中控制 ， 为综采工作 面的 自动化和少人化 提供 了解 决 途径 。另外 ， 实 现 了地 面 技 术 人 员 对 工 作面设备故障的快速诊 断， 有效缩短 了工作面设 备 的故 障影 响 时 间。 参考文献 [ 1 ] 夏护 国 ， 宋卫军 ， 杨宪 国． 综采工 作面 自动化 系统 集成 研究 E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 4 ， 4 0 6 3 l 一 3 3 ． E 2 3 付 国军． 自动化综采工作 面概念探 讨[ J ] ， 工 矿 自动化 ， 2 O l 4， 4 0 6 2 6 - 3 0 ． [ 3 ] 廖常初． s 7 3 0 0 ／ 4 0 0 P L C应用技术[ M] ． 北京 机械工 业 出版 社 ， 2 0 0 5 1 - 9 ． 1- 4 1 李正军． 现场总线与工业 以太 网及 其应用技 术[ M] ． 北 京 机械工业 出版社 ， 2 0 1 1 3 6 1 3 6 5 ． I s ] 博尔曼． 工业以太 网 的原 理 与应用 [ M] ． 北 京 国 防工 业 出版社 ， 2 O l 1 i 2 1 1 3 5 ． E 6 ] 王华 忠． 监控 与 数 据 采 集 S C A D A系 统 及 其 应 用 [ M] ． 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 1 0 1 - 7 ．