自动化采煤控制系统设计.pdf

第 4 2卷 第 4期 2 0 1 6年 4月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i n e Aut oma t i on Vo L 42 NO ． 4 Ap r ． 2 01 6 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 4 0 0 1 1 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 0 4 ． 0 0 3 耿泽昕， 宋建成， 许春雨 ， 等． 自动化采煤控制系统设计[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 4 1 1 1 4 ． 自动化采煤控制系统设计 耿泽昕 ， 宋建成 ， 许春雨 ， 田慕琴 ， 于亚运 ， 付峻青 ， 徐建斌。 1 ． 太原理工大学 煤矿电气设备与智能控制 山西省重点实验室 ，山西 太原0 3 0 0 2 4 ； 2 ． 山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司 技术研究院有限责任公司，山西 晋城0 4 8 0 0 6 ； 3 ． 山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司 成庄煤矿，山西 晋城0 4 8 0 0 6 摘 要 针 对 目前 国 内综采 工作 面 自动 化程度 低 的 问题 ， 提 出了一种 自动化 采 煤控 制 系统 总体 设计 方案 ， 重 点 阐述 了该 系统 自动化 采煤控 制 工 艺及 其 实现 方案 。该 系统采 用 RS 4 8 5双 总 线通 信模 式 ， 通 过 支架 控制 器将采煤机位置、 液压支架状态等参数实时上传至端头服务器， 端头服务器将参数上传至集控计算机进行显 示， 集控计算机通过端头服务器向支架控制器发送控制命令 ， 完成对液压支架动作的双 闭环控制 ， 同时集控 计算机 向采 煤机控 制 器发 送控 制命令 ， 自动控 制采 煤机摇 臂 高度 ， 从 而 实现 工作 面 自动 化采 煤 。 关键词 自动化 采煤 ； 采 煤机 ；液压 支架 ；双 闭环控 制 中图分 类号 T D6 3 2 ／ 6 7 文 献标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 6 0 4 0 5 0 8 5 0 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 ． T P ． 2 0 1 6 0 4 0 5 ． 0 8 5 0 ． 0 0 3 ． h t ml De s i g n o f a ut o ma t i c c o a l mi n i n g c o n t r o l s y s t e m GENG Ze x i n ， S ONG J i a n c h e n g ， XU Ch u n y u ，TI AN M u q i n ， YU Ya y u n ， FU J u n q i n g ．XU J i a n b i n 。 1 ． S h a n x i Ke y L a b o r a t o r y o f M i n i n g El e c t r i c a l Eq u i p me n t a n d I n t e l l i g e n t Co n t r o l ，Ta i y u a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y，Ta i y u a n 0 3 0 0 2 4，Ch i n a；2 ． Te c h n o l o g y Re s e a r c h I n s t i t u t e C o． ，Lt d． ，S h a n x i J i n c h e n g An t h r a c i t e M i n i n g Gr o u p Co． ，L t d． ，J i n c h e n g 0 4 8 0 0 6 ，Ch i n a ；3 ． C h e n g z h u a n g Co a l Mi n e ，S h a n x i J i n c h e n g An t h r a c i t e Mi n i n g Gr o u p Co ． ，Lt d ． ，J i n c h e n g 0 4 8 0 0 6 ，Ch i n a Ab s t r a c t For p r ob l e m of l ow a u t o m a t i o n de g r e e of c u r r e n t f u l l y m e c h a ni z e d c o a l mi n i ng f a c e，a d e s i gn 收稿 日期 2 0 1 6 0 1 1 2 ； 修回 日期 2 0 1 6 0 3 1 0 ； 责任编辑 盛男。 基金项 目 国际科技合作与交 流专项资助项 目 o s 2 0 1 3 z R O 4 9 3 ； 山西省科技重大专项资助项 目 2 0 1 1 I 1 0 1 0 2 4 ， 2 0 1 3 1 1 0 1 0 2 9 。 作者简介 耿泽昕 1 9 9 O ～ ， 男 ， 山西平遥人 ， 硕士研究生 ， 主要研究方向为煤矿电气设备 与智能控制技术 ， E - ma i l g e n g z e x i n 1 2 7 3 8 1 2 6 ． c o n l 。 策 、 故障与灾害超前预警、 事故反演等 。 3 结语 矿山综合 自动化系统从设计开始就没有考虑容 纳第三方 的服务 ， 因此在建设后期 ， 逐步出现了系统 封闭、 标准不一、 信息应用 困难、 对矿山技术人员要 求高等问题 。在多年实施 矿山综合 自动化 的基础 上 ， 再实现矿山物联 网， 应该明确矿 山物联网的本质 是服务承载平 台， 矿山物联 网必须具有相应 的公共 服务能力 ， 如基于位置的服务、 基于时间的服务、 基 于信息的服务 、 基于云的服务 、 基 于大数据的服务、 基于语义的服务等。可 以预见 ， 这些服务能力会随 着技术和需求 的发展而不断充实 与增加 ， 矿 山物联 网也会 越来越 实用 ， 逐 步 向智 慧矿 山迈 进 。 参考文献 I- 1 ] 张 申， 张滔． 论矿山物联 网的结构性平台与服务性平 台 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 3 ， 3 9 1 3 4 ～ 3 8 ． I- 2 ] 张 申， 赵小 虎． 论感 知矿 山物 联 网与矿 山综 合 自动 化 [ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 1 2 ， 4 0 1 8 3 8 6 ． E 3 ] 张 申， 陈金云 ， 刘卫东 ， 等． 分布式 煤矿冲击地压监测 方 法 1 0 1 7 6 2 8 3 0 A [ P ] ． 2 0 1 0 0 6 3 0 ． I- 4 ] 张 申， 丁恩杰 ， 徐钊 ， 等． 物联网与感知矿山专题讲座 之 三感知矿山物联网的特征与关键技术[ J ] ． 工矿 自 动 化 ， 2 0 1 0， 3 6 1 2 1 1 7 1 21 ． [ 5 ] 张申， 刘鹏 ， 张彭． 感知矿山物联网云计算应用探索 [ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 1 2 ， 4 0 9 7 2 7 5 ． I- 6 ] G R I GO R I S ANT ONI OU． 语 义网基础教程I- M] ． 胡伟 ， 程龚 ， 黄智生 ， 译 ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 8 ． l 2 工矿 自动化 2 0 1 6 年 第 4 2卷 s c h e me o f a u t o ma t i c c o a l mi n i n g c o n t r o l s y s t e m wa s p r o p o s e d ，a n d r e a l i z a t i o n s c h e me o f a u t o ma t i c c o a l mi ni ng c on t r ol t e c hno l o gy o f t he s y s t e m wa s e xp ou nd e d．The s y s t e m a d o pt s c omm u ni c a t i on mod e of du a l R84 85 b us e s t o u pl o a d p a r a me t e r s i n c l u di n g po s i t i o n o f s h e a r e r a nd s t a t us o f hy d r au l i c s up po r t r e a l t i m e l y t O t e r mi na l c o nt r o l l e r t hr o ug h s up po r t c on t r o l l e r．Ce nt r a l i z e d c o nt r o l c o m pu t e r d i s pl a y s t he pa r a me t e r s f r om t he t e r mi na l c on t r o l l e r． Th e c e nt r a l i z e d c o nt r o l c o mput e r s e n ds c o nt r o l c o mm a nd t O t h e s u pp or t c on t r ol l e r t hr o ugh t he t e r mi na l c on t r ol l e r i n o r d e r t o r e a l i z e d ou bl e c l os e d l oo p c o nt r o l of hy dr a ul i c s up po r t ，a nd a l s o s e nd s c o nt r ol c o m ma nd t o s he a r e r c o nt r o l l e r i n o r de r t o c on t r ol r a n gi n g a r m h e i g ht of s he a r e r ，S O a s t o r e a l i z e a u t o m a t i c c o a l m i n i ng． Ke y wo r d s a u t o m a t i c c o a l m i n i ng；s h e a r e r ；h yd r a ul i c s up po r t ；d ou bl e c l o s e d l o op c on t r o l 0 引言 随着 综 采 技 术 的 不 断发 展 ， 国 内综 采 工作 面越 来越 长 ， 对 自动化 技 术要求 越 来越 高 ， 但 对 相应设 备 的控 制相 对 落后 。对 于 液压 支 架 ， 大 多采 用 简 单 的 邻架 和成 组移 架 操 作 ， 支 架 的 移 动 速度 严 重 落 后 采 煤机 的割 煤速 度 。 目前 ， 煤 矿 投 入 运行 的液 压 支 架 电液控制 系统越来越多 ， 但受煤矿地质条件的限制 ， 实 际运行 过程 并 没有 达 到理想 的少 人 化或无 人 化程 度 ； 大多 数 系统 只是 将 原 先 的 手 动操 作 杆 换 成 了 电 液控制器 ， 煤矿 自动化生产并没有从 根本上得 到改 变【 。对于采煤机 的自动控制 ， 目前多采用煤岩界 面 自动识别技术 ， 通过识别煤层与顶板间的颜色 、 形 状、 光泽等基本特征 ， 将煤层 与顶板进行分离 ， 但在 实 际应用 中具 有一 定 的局 限性 。 本 文 设计 了一 种 自动化 采 煤 控 制 系统 ， 该 系统 以网络通信技术为基础 ， 以电液控制为核心 ， 采用闭 环控制模式 ， 集成红外遥测和传感技术 ， 通过集控计 算机 、 端 头服 务器 、 支 架控 制 器 、 采煤 机 控 制 器 之 间 的通信实现 自动化采煤作业。 1 系统 总体 方 案 自动化采 煤 控制 系统 总体 结构 如 图 1 所 示 。采 煤机控制器接收集控计算机下发 的命令 ， 通过 电液 伺 服 阀控 制 采煤 机 摇 臂 伸缩 油缸 ， 进 而控 制 摇 臂 的 高度 。支架控制器和端头服务器采用 RS 4 8 5双总 线模式进行通信 ] ， 其中一路对支架控制器进行巡 检 ， 另一路对支架控制器发送控制命令 ， 控制液压支 架动作 ， 配合行进中的采煤机完成 自动化作业。支 架控制器可 以实时采集液压支架压力、 位移等参数 ， 并通过红外接收模块配合 采煤 机上 的红 外发射装 置 ， 确定采煤机位置 。支架控制器将采煤机位置 、 液 压支架状态等参数实时上传到端 头服务器 ， 端 头服 务器将这些参数上传到集控计算机实时显示。集控 计算机根据这些参数 ， 将控制工艺发送到端头服务 器 ， 端头服务器向特定编号 的支架控制器发送控制 命令 ， 支架控制器通 过电磁 阀驱动模块控制液压支 架动作 ， 实现液压支架的 自动控制 。 自动控制要求 支架 控制 器根 据采 煤机 在综 采工 作 面运行 的实 时位 置控 制液 压支 架 ， 使 其 完成相 应 的支护 动作 ， 为采煤 机 回采提 供运 行轨 道嘲 。 R S 4 8 5 通信 圈玄 ． 1 支 架 l 通 信 1 支 架 I 通 信 1 支 架 l l控 制 器 r． 控 制 器 r 控 制 器 I ‘ 冈冈 接收模块l J 接收模块I l 接收模块I 向 ， ， ”””红 外 线 信 号 、 一 ． 、 ， I 图 1 自动化采煤控制系统总体结构 2 自动化 采煤 控 制工 艺 为实现安全、 高效采煤作业 ， 自动化采煤必须依 靠具体的控制工艺 ， 本文根据某煤矿综采工作 面的 生产要求 ， 制定 了 1 6个控制工艺段 ， 主要包括 中间 段割煤 、 刮 板输 送机 机 头斜切 进 刀 、 刮 板输 送机 机 头 割三 角煤 、 刮板 输送 机 机尾斜 切 进刀 、 刮板 输送 机 机 尾割 三角 煤等 。液 压支 架和 采煤 机在 不 同 的工 艺段 以不同方式配合， 实现煤层的 自动化开采 。 根据煤层三维模型可确定整个工作面的长度 、 宽度 、 采高和倾角 。摇臂长度 滚筒中心与摇臂耳座 孔中心之问的距离 、 采煤机运行速度、 液压支架数 量、 液压支架宽度等数据确定后 ， 以工作面刮板输送 机机头为起点 ， 建立采煤机和液压支架运动模型， 采 煤机和液压支架运行的每一个点都可用液压支架推 溜累计位移 z和液压支架编号 来确定 ， 即有唯一 确定 的坐标 z， 。该坐标处 煤层的采高 、 推移行 程都可唯一确定 ， 得 出采煤机运行数据库和液压支 架运行数据库。 2 0 1 6年 第 4期 耿 泽 昕等 自动化 采煤 控制 系统设计 1 3 2 ． 1 采煤机 自动 控制 工 艺 在采煤机运行过程 中， 集控计算机根据液压支 架推溜 累计 位 移 3 2 及 采 集 到 采煤 机 位 置 信 息 的 液 压支架编号 Y确定采煤机所处位置 ， 通过检索采煤 机运行数据库确定煤层的采高， 计算得 出采煤机摇 臂需要调整的高度， 达到 自动控制采煤机摇臂高度 的 目的 。 2 ． 2 液压 支架 自动控 制工 艺 在 液 压 支架 运 行过 程 中 ， 集 控计 算 机 接 收端 头 服务器 通过 巡检 支架 控 制 器 得 到 的采 煤 机 位 置 ， 并 检索液压支架运行数 据库得出液压支架运行 的动 作 、 参数 ， 通过端头服务器将控制命令下发给支架控 制器 ， 由支架控制器控制液压支架完成相关动作 。 控制命令格式如图 2所示 。控制命 令包括 支 架编号， 即动作支架 的编号； 动作代码， 代表液压支 架的动作； 推溜行程和拉架行程， 分别代表液压支架 在推溜、 拉架过程的位移； 初撑压力， 即液压支架在升 架中触碰到顶板时的压力， 达到此压力时液压支架应 该停 止升架 ； 极 限时间 ， 即液压支架运 行的最大 时间 。 I 嘉 鸯 I 篱 I 荐 I I 凳 l 誉 l校 验 码 I l 编 号 I 代 码 l 行 程 I 行 程 l 压 力 l 时 间 l I 图 2 控 制命令格 式 液 压支架 动作 双 闭环控 制如 图 3 所 示 。设置 在 支架控制器上的压力传感器和行程传感器实时检测 液压支架的动作。在推溜过程中达到控制命令中的 推溜行程以及升架过程中达到控制命令 中的初撑压 力 ， 液压支架停止动作 ； 液压支架运行到极限时间， 支架控制器发 出停止命令 ， 液压支架停止动作。这 样可防止液压支架过度动作造成工作面设备或顶板 损坏。液压支架运行结束后 ， 支架控制器采集液压 支架当前推溜行程和立柱压力并 反馈至端 头服务 器 ， 端头 服务 器判 断 实 际推 溜 行 程 和立 柱 压 力 是 否 达到控制命令 中的推溜行程 和初撑压力 ， 若达到则 向支架控制器发送下一个工艺段的控制命令 ， 反之 ， 则 通过 支架控 制器 控制 未达 到动作 的液 压支 架进 行 动作 纠 正 。 工况 反馈 传感器 图 3 液压支架 动作 双闭环控制 在液压支架 自动控制过程 中， 液压支架可能受 到煤层 阻力或设备阻碍， 若 经过 3次控制还没有达 到规定的动作 ， 端头服务器则认 为液压支架存在故 障 ， 发出报警并上传集控计算机 ， 提醒工人进行人工 处 理 。 3 自动化 采煤 控 制工艺 实现 根据 自动化采煤控制的需求 ， 定义以下 5个控 制参数 滞后采煤机小循环 降架一 拉架一 升架 安全 区域 m； 滞后采 煤机推溜安 全区域 q ； 护帮板 动作 包括二级护帮板伸／ 收、 一级 护帮板伸／ 收 、 伸缩梁 伸 ／ 收 安 全 区域 c ； 弯 曲段 长 度 k ； 采 煤 机 长 度 d 。 这 些参 数均 以单 个 液 压 支架 宽度 为单 位 ， 表 示 占多 少 个液 压支 架宽 度 。此外 ， 还 需定 义一 些定 位参 数 采煤机 中心位置处液压支架编号 P； 刮板输送机机 头弯曲段起始液压支架编号 E； 刮板输送机机尾弯 曲段起始液压支架编号 F； 采煤机运行方向 H， H一 1表示采 煤机 由刮板输 送 机机 头 向刮 板 输 送 机机 尾 运行 ， H一一1表示采煤机 由刮板输送 机机尾 向刮 板 输送 机机 头运 行 。 根 据某煤矿综采工作 面的生产要 求和实际情 况 ， 设 置参数 m一8 ， q 一1 2 ， C 一6 ， k 一1 0 ， d一1 1 ， E一 2 2 ， F一9 8 。以 中间段 割煤 、 刮板 输 送 机 机 尾斜 切 进 刀和刮板输送机机尾割三角煤 3个工艺段为例 ， 说 明 自动 化采 煤控 制过 程 。 1 中间段 割煤 左 行 。假 设 采煤 机 从 工作 面 中间 6 1 号 液压 支架 处开 始 向左割 煤 ， 采 煤机 在采 煤 机控制器的控制下 自动调整摇臂高度 ， 完成 割煤 。 考虑到安全因素 ， 采煤机前 滚筒 只能行进到 2号液 压支架处 ， 此时机身中心位于 8号液压支架处 ， 即采 煤 机从 6 1号液 压支架 处 开始 割煤 ， 运行 到 8号液 压 支 架处停 止 8 ≤ P ≤ 6 1 。超 前采 煤 机且 坐 标 为 z， Pc 的支 架控 制器 接 收 端 头服 务 器 的 护 帮板 控 制 命令后 ， 开始收护帮板及收伸缩梁动作 ； 滞后采煤机 且坐标为 z， P 的支架控制器接收端头服务器 的小循环控制命令后 ， 液压支架降架 ， 当立柱压力小 于5 MP a时 ， 认 为 液压 支 架 已脱 离 顶板 ， 开 始 拉架 ， 当拉架位移等于控制命令 中的拉架行程， 停止拉架 并开始升架 ， 当立柱压力达到控制命令 中的初撑压 力 时 ， 停 止 升架 ， 完 成 小循 环 ； 滞 后 采 煤 机 且 坐 标 为 z， Pq 的支架 控 制 器 接 收端 头 服 务 器 的推 溜控 制命令后， 液压支架进行推溜 ， 当推溜位移等于控制 命令 中的推溜行程时 ， 停止推溜 ； 滞后采煤机且坐标 为 z， Pc 的支架控制 器接收端头服务器 的护帮 板控制命令后 ， 控制液压支架进行伸护帮板及伸伸 缩梁动作 。中间段割煤 左行 如图 4 所示。 2 刮板输送 机机尾斜切进 刀 右行 。经过 2 次刮板 输送机机尾 扫底刀后 ， 采煤 机位于1 1 2 号