煤矿自动化综采工作面应用研究.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 论文题目论文题目煤矿自动化综采工作面应用研究 英文题目英文题目 The application of automatic control technology and equipment of longwall mining automation 学位类学位类别别工程硕士 研 究 生 姓研 究 生 姓 名名王挨荣学号学号201303308 学科学科领域领域名称名称控制工程 指导教指导教师师贾华职称职称副教授 协助指导教协助指导教师师职称职称 二〇一七年六月八日 分类号分类号TP273TP273密密级级 公开公开 U D C 学校代码学校代码 1012710127 万方数据 独独创创性性说说明明 本人郑重声明 所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写的研究成果， 也不包含为获得内蒙古科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 签名日期 关于学位论文使用授权的说明关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、 使用学位论文 （纸质版和电子 版）的规定，即本人唯一指定研究生院有权保留送交学位论文在学校相关 部门存档，允许论文在校内被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 在论文作者同意的情况下， 研究生院可以转授权第三方使用 查阅该论文。 （保密的论文在解密后应遵循此规定）（保密的论文在解密后应遵循此规定） 签名导师签名日期 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘摘要要 煤矿综采工作面自动化控制技术及装备的应用是实现煤炭安全、 高效开采的重要 保障，是促进煤矿安全发展的必由之路。自动化综采工作面的技术研究与应用得到了 越来越广泛的重视。 本课题一方面分析了国内外自动化综采工作面的发展现状， 提出了一套新型的工 作面系统控制架构，以期解决各个子系统的之间通讯壁垒，实现真正意义上的分布式 集控系统。设计了包括监控中心、三机、泵站、工作面通讯、供电、液压支架电液控 制系统等控制方案。 重点针对液压支架电液控制系统进行研究和设计。 首先针对电液控制系统的功能 要求，提出了总体设计方案；其次，根据设备构成，完成了控制器、操作器、隔离耦 合器、远程操作台、和传感器的硬件电路设计和选型；然后，基于 uC/OS-II 实时操 作系统，采用 RealView MDK 开发环境，完成了控制器的主程序和就地控制、远程控 制、采煤机位置检测等的软件设计流程图；最后，在实验室环境下，进行了液压支架 控制系统的功能测试，包括就地控制、远程控制、采煤机位置检测的功能验证，验证 本课题所研制的电液控制系统的实用性，能够稳定、可靠运行。 关键词关键词自动化综采工作面；支架电液控制系统；软硬件设计；uC/OS-II 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 II AbstractAbstract The application of automatic control technology and equipment of longwall mining automation is an important guarantee to achieve safe and efficient coal mining, and is the only way to promote the development of coal mine safety. More and more attention has been paid to the research and application of longwall mining automation. In this article, the current development of the domestic longwall mining automation is analyzed, and a new framework of control system is puts forward, in order to solve the communication barriers between each subsystem. The control scheme including the monitoring center, the three machine, the pump station, the working face communication, the power supply, the hydraulic support electro-hydraulic control system is designed. Emphatically, the electro-hydraulic control system is researched and designed. Firstly, aiming at the electro-hydraulic control system’s functional requirements, the overall design scheme is put forward. Secondly, according to the composition of the equipment, completed the controller, Human Machine Interface, isolation coupler, remote console, and sensors hardware design. Then, based on the uC/OS-II real-time operating system, using RealView MDK development environment, the software design flow chart of the main program and the local control, remote control, shearer position detection are completed; Finally, in the laboratory environment, the function test of hydraulic support control system, including local control, remote control, shearer position detection is completed, and the practicality of electro-hydraulic control system designed in this project is verified. KeywordsKeywords Longwall mining automation；Electro-hydraulic control system；Hardware and software design；uC/OS-II 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 目目录录 摘摘要要................................................................................................................I I AbstractAbstract..............................................................................................................IIII 1 1 引引言言............................................................................................................1 1 1.1 课题背景及研究意义.............................................................................1 1.2 国外技术发展现状.................................................................................1 1.3 国内技术发展现状.................................................................................2 1.4 本课题主要工作.....................................................................................4 2 2 自动化综采工作面系统方案设计自动化综采工作面系统方案设计....................................................................5 5 2.1 总体方案.................................................................................................5 2.2 监控中心.................................................................................................6 2.3 三机子系统.............................................................................................7 2.4 泵站子系统.............................................................................................8 2.5 工作面通讯子系统.................................................................................8 2.6 供电子系统.............................................................................................9 2.7 液压支架电液控子系统.........................................................................9 3 3 电液控制系统总体方案设计电液控制系统总体方案设计..........................................................................1111 3.1 支架电液控制系统总体方案的确定...................................................11 3.2 电控系统...............................................................................................11 3.3 液控系统...............................................................................................15 3.4 数据上传及远程控制系统...................................................................16 4 4 电控系统硬件设计电控系统硬件设计..........................................................................................1717 4.1 工作环境要求.......................................................................................17 4.2 设计依据...............................................................................................17 4.3 防爆型式选择.......................................................................................18 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 4.4 电液控制系统功能...............................................................................18 4.5 控制器硬件设计...................................................................................19 4.5.1 控制器结构形式........................................................................19 4.5.2 控制器 CPU 选型与设计............................................................19 4.5.3 供电电路设计............................................................................23 4.5.4 复位、EEPROM 电路...................................................................24 4.5.5 模拟量输入电路........................................................................24 4.5.6 通讯接口电路............................................................................25 4.5.7 电磁阀驱动输出电路设计........................................................26 4.5.8 供电控制电路............................................................................27 4.6 操作器硬件设计...................................................................................27 4.7 隔离耦合器...........................................................................................31 4.8 支架远程操作台...................................................................................32 4.9 支架传感器...........................................................................................33 4.10 采煤机位置检测.................................................................................35 5 5 电控系统软件设计电控系统软件设计..........................................................................................3636 5.1 设计原则...............................................................................................36 5.2 软件开发环境介绍...............................................................................37 5.2.1 uC/OS-II 介绍...........................................................................37 5.2.2 RealView MDK 开发环境介绍...................................................37 5.3 软件程序设计.......................................................................................38 5.3.1 主程序任务划分.........................................................................40 5.3.2 就地程序控制任务....................................................................44 5.3.3 远程程序控制任务....................................................................47 5.3.4 采煤机位置检测程序任务........................................................48 6 6 电液控制系统试验电液控制系统试验..........................................................................................5252 6.1 就地控制功能.......................................................................................52 6.2 远程控制功能.......................................................................................54 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 6.3 采煤机位置检测功能...........................................................................55 7 7 总结和展望总结和展望......................................................................................................5656 7.1 总结.......................................................................................................56 7.2 展望.......................................................................................................56 参考文献参考文献..............................................................................................................5757 致致谢谢..............................................................................................................6161 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -1- 1 引言 1.1 课题背景及研究意义课题背景及研究意义 我国是一个富煤贫油的国家， 据 2016 年国土资源部发布的 中国矿产资源报告 ， 2015 年我国已探明煤炭储量为 15663.1 亿吨，仅次于美国和俄罗斯居世界第三位，产 量居第一位，出口量仅次于澳大利亚而居于第二。虽然近年来，受国家经济形势下滑 及煤炭行业去产能政策影响，煤炭产量及消费量有所下降，但煤炭工业在国民经济中 的基础地位，将是长期的和稳固的，具有不可替代性。 然而，我国煤炭近一半的产能来自落后采煤工艺和装备。我国自动化采煤技术起 步较晚，自动化工作面占比重相对较小。据预测，2020、2030 年煤炭需求量分别为 39 亿～44 亿、45 亿～51 亿，单纯依靠大量人工进行手动操作，满足上述需求的产能 难以实现，基于工作面自动化技术的少人、无人化开采将是我国煤炭工业发展的必由 之路[13]。 另一方面，由于煤矿地质条件复杂、环境恶劣、检测监控设备落后等原因，致使 煤矿安全生产形式严峻，煤矿伤亡人数居高不下。煤矿安全、高效生产不仅直接关系 到煤炭工业的健康发展，同时也是构建和谐社会的前提和保障[4]。国家中长期科学 和技术发展规划纲要（2006-2020）在重点领域和优先主题里明确指出大力发展 煤炭清洁、高效、安全开发和利用技术，并力争达到国际先进水平。所以，煤炭生产 的自动化技术研究得到了越来越广泛的重视。 综上，随着近年来综采自动化开采技术的不断发展和成熟，综采自动化工作面在 国内各大煤炭集团得到了很大程度的推广应用。 自动化、 智能化开采技术在实现了 “减 人、增效”的同时，更核心的意义在于保证了井下安全，从根本上提高了作业安全系 数。 1.2 国外技术发展现状国外技术发展现状 提高综采工作面系统的自动化水平是当前国际采矿界研究的热点。 国外煤矿机械 装备供应商、 科研单位和煤矿用户都对综采工作面自动化技术进行了积极的研究和探 索，并取得了一系列成果 [56]。具体体现在以下 4 个方面。 1）采煤机控制系统 采煤机是综采工作面生产割煤的最关键设备， 如果采煤机出现故障将会导致生产 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -2- 任务中断，造成经济损失。 德国艾柯夫公司的采煤机控制系统在原有记忆割煤、过载保护、滚筒自动调高等 功能的基础上，新增加了红外摄像功能、雷达探测防机械碰撞功能和煤层分层检测功 能 [7]。 在煤岩识别技术方面国外公司也进行了一些研究和试验， 主要是利用采煤机滚 筒在对煤层和岩石进行截割时，发出的振动信号的功率谱和频谱进行识别，从而进行 煤岩界面判别[8]。 2）液压支架电液控制系统 国外的电液控制系统产品已基本成熟。 主要包括以 DBT 和 JOY 为代表的与支架 配套销售的产品和以 marco、Tifenbach、EEP 为代表的专业电液控制系统产品。自动 化水平方面，包括单机自动化、成组自动化、跟机自动化、支架姿态监测与控制等方 面均比较成熟 [9]。 3）工作面运输设备系统 美国和澳大利亚的煤炭企业在工作面采用了计算机技术、大功率电牵引采煤机、 电液控制的液压支架和具有软启动功能刮板输送机， 实现了工作面三机的自动化及井 下环境安全信息实时监测和控制。 4）自动化综采工作面研究 随着科技的发展和实际煤炭开采的需求要求， 国外先进煤机制造企业的产品已经 不再单纯研究独立设备的智能化发展了， 而是在综采工作面自动化技术方面进行积极 探索，并对自动化信息集成方面做了深入的研究。目前，美国、澳大利亚的煤炭企业 在这方面走在前端。20 世纪 80 年代以来，他们在工作面采用了计算机技术、大功率 采煤机牵引变频控制技术、液压支架电液控制技术和刮板输送机软启动变频技术，实 现了工作面采煤机、液压支架、三机的自动化采煤。另外，以 DBT、JOY 公司为代 表，这两家均是国际综采设备高端供应商，提供工作面成套综采设备，并形成一套独 立、完善的综采自动化控制体系。澳大利亚煤矿近年来已有 15 个工作面安装了成套 装备自动化工作面[10]。 由于采煤行业在国外已经属于“夕阳”产业，且一些自动化技术经过几十年的研 究并没有突破性的进展，同时随着进口设备在国内市场占有率的萎缩，国外煤矿自动 化技术发展缓慢。 1.3 国内技术发展现状国内技术发展现状 目前，我国国内综采工作面在液压支架、采煤机、刮板输送机等关键单机装备的 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -3- 自动化控制技术研究已取得了一些成果。包括采煤机、支架、泵站、“三机”等设备 的控制系统已经完全实现了国产化，基本达到了国外同类产品的技术水平[8]。 1）采煤机控制系统 近年来，国产采煤机在远程控制、记忆割煤等方面做了大量的研究，并取得了一 定的成果，但在滚筒自动调高、整机工作稳定性等方面仍需攻关。由于采煤机是运动 的，并且是煤炭开采的最前序设备，所以采煤机同工作面其他设备的关联程度，直接 关系到煤炭开采的产量与效率。如根据运输设备负荷、支护设备的跟机速度等自动调 节运行速度； 根据地质条件， 自动完成滚筒高度等方面， 仍然需要进一步的研究试验。 2）液压支架电液控制系统 国内从上世纪九十年代开始，煤科院、郑煤机、北煤机等国内煤机设备研发供应 商均先后开发出具有自主知识产权的电液控制系统， 但受当时的技术水平和煤炭行业 状况限制，未能推广应用；从 2004 年开始，煤炭行业经济形势的好转，及神华集团 综采设备国产化进程的推进，带动了大量电液控制系统的推广与应用。目前北京天地 玛珂电液控制系统有限公司、郑煤机和四川神坤的产品已在井下全工作面应用，并取 得不错的成绩。 虽然目前在功能上实现了支架控制的基本要求，如支架单动控制、成组控制、跟 机推溜拉架等功能，但对于高可靠性高精度的传感器研究与设计、支架姿态的检测与 控制等、围岩耦合控制等方面仍需进行技术攻关[1116]。 3）工作面运输设备系统 这几年我国煤矿运输设备厂商对工作面运输系统功能进行了一些实验性的工作， 基本实现减速器和电动机温度监测、变频电机软启动、双速/多段速/线性调速运行、 “三机”顺序逻辑控制、运输机链条张力自动监测与张紧、皮带机尾自动推移控制等 功能。 4）自动化综采工作面研究 目前国内煤矿企业也在积极探索综采工作面的自动化控制技术研究， 并进行了各 方面的尝试， 取得了有效的成果[1720]。 虽然国内不少煤矿对综采自动化开采技术进行 了尝试，但均为试验阶段，未实现常态化应用。同时，各个综采装备的控制系统由各 供应商自己提供，由于各种控制系统在接口、软件协议、冗余功能等方面存在各种各 样的形式或版本，无法真正实现集中整合和实施集中控制功能，无法实现各设备间的 信息交互，更无法实现设备间的协调、配合。因此，随着自动化技术的推广应用，煤 矿综采工作面对设备的运行情况、工作状态的监控提出了新需求，单机设备控制已不 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -4- 能满足综采工作面生产需求。因此，研究综采工作面自动化控制技术，实现整个工作 面自动化、智能化开采已势在必行。 1.4 本课题主要工作本课题主要工作 本课题主要完成两部分工作，首先分析国内外自动化综采工作面的发展现状，建 立一套新型的工作面系统控制架构，并研究提出包括采煤机、三机、支架电液控、供 电、泵站等各子系统的控制方案；其次，重点针对液压支架电液控制系统进行研究， 从系统结构、设备构成、硬件设计、软件实现等方面做详细阐述；然后，对液压支架 远程控制的软件设计实现进行了研究；最后，在实验室环境下，进行了液压支架控制 系统的功能测试。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -5- 2 自动化综采工作面系统方案设计 2.1 总体方案总体方案 传统的综采工作面控制系统包括采煤机子系统、电液控子系统、泵站子系统、三 机子系统、工作面通讯子系统、供电子系统等，而集中控制系统是建立在各个子系统 之上，通过通讯等方式实现整个工作面设备的集中控制或远程控制，见图 2.1。这种 模式在一定程度上，体现了分层设计的思想，各个子系统保持完全的独立性，同时， 又具有集中控制的功能。但是，在实际生产运行过程中，这种模式也存在一些缺点 （1）子系统之间的通讯接口和协议标准不一致 （2）控制系统多、层级复杂、实时性很难保证 （3）设备种类多，维护工作量大 图 2.1 典型的综采工作面控制系统 本课题建立一套全新架构的控制系统， 设计目标是从根本上解决各个子系统的之 间通讯壁垒，以整个综采工作面生产系统为控制对象，建立一套基于 Ethernet/IP“一 网到底”技术的扁平化控制架构，具有 WiFi 数字化语音通讯功能的、开放的、模块 化的、可编程的综采工作面自动化控制平台，实现真正意义上的分布式集控系统。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -6- 其主要特点包括 （1）建立覆盖综采工作面和顺槽的数字化语音通讯平台； （2）基于 Ethernet/IP 技术使得各个控制节点具有统一的通讯协议和接口； （3）建立扁平化的控制架构，既保证实时性，又具有独立性； （4）采用统一的本安型控制器，通过不同软件、驱动器实现不同设备对象的控 制； （5）采用开放的可编程自动化控制器，实现用户自定义的设备联动控制。 图 2.2 自动化综采工作面控制系统示意图 如图 2.2 所示，自动化系统主要由 8 大部分组成，包括地面调度室、集控中心、 供电子系统、泵站子系统、三机子系统、采煤机子系、工作面通讯子系统、支架电液 控子系统。 2.2 监控中心监控中心 工作面顺槽监控中心是整个工作面控制系统的大脑，负责三机、泵站、供电系统 的集中控制，以及与采煤机、电液控等子系统的协同控制。它主要由矿用隔爆兼本质 安全型可编程自动化控制器 1 台，矿用隔爆兼本质安全型监控主机 2 台，矿用本安型 显示器 4 台，主控操作台 1 台，以及交换机等设备组成。如图 2.3 所示 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -7- 图 2.3 监控中心主要设备连接图 （1）监控中心 4 个显示器，分别显示供电子系统、三机子系统、泵站子系统、 支架电液控子系统监控画面，其他系统的页面可以通过鼠标或键盘进行切换显示； （2）主控操作台通过以太网接口连接集控系统网络，操作人员通过主控操作台 对系统进行操作。所有的控制指令最终发送到自动化控制器系统上进行执行。 （3）自动化控制器通过硬接线连接了组合开关的先导回路，实现各个设备的供 电控制，同时，与沿线闭锁喊话系统连接，实现设备的硬件闭锁； （4）扩音电话控制台连接喊话器，用于沿线喊话；同时，也可以通过语音耦合 器与矿井的电话系统连接，实现地面调度室电话与工作面喊话； （5）扩音电话控制台的急停线连接到自动化控制器，实现设备的急停闭锁； 2.3 三机子系统三机子系统 图 2.4 三机控制系统示意图 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -8- 三机控制主要完成三机的启停控制， 同时， 三机控制与工作面语音通讯系统连接， 实现工作面的语音预警、闭锁保护等。 如图 2.4 所示，三机控制系统主要由 2 个控制器组成，通过与自动化控制器配合 完成刮板机的控制。其中控制器用于完成变频器的监测控制，以及减速器动力部状态 监测；自动化控制器通过先导反馈进行三机系统的动力供电控制。 2.4 泵站子系统泵站子系统 泵站控制子系统采用集中分布式控制方式， 控制器作为核心设备分别配置在每台 泵站、液箱和水箱上。每个控制器只负责处理所控制设备的运行信息、决定受控设备 的动作。主控系统作为主控单元，负责向各控制器发送宏观控制指令、协调各控制器 之间的关系。主控系统、控制器之间采用通讯方式传递指令、交换数据。 图 2.5 泵站控制系统示意图 该子系统由矿用本安型控制器、隔离耦合器、驱动器、矿用隔爆兼本质安全型稳 压电源、矿用温度传感器、油压传感器、水压传感器、系统压力传感器、液位传感器、 水位传感器及各种快插电缆等组成。 2.5 工作面通讯子系统工作面通讯子系统 通讯控制子系统包括工作面通讯部分和顺槽通讯部分，它以综合接入器为核心， 构建了整个千兆以太网通讯平台， 扩音电话控制台、 扩音电话分站、 WiFi 基站、 ZigBee 无线接收器等都挂接在综合接入器，实现信息高速通讯、急停闭锁保护、扩音喊话等 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -9- 功能。 图 2.6 工作面通讯控制系统示意图 2.6 供电子系统供电子系统 供电子系统包括两个部分关键设备的供电回路控制和每个回路的状态监测。其 中，关键设备的供电回路控制通过硬接线先导反馈回路进行控制，它是一种成熟可靠 的控制方式，是工作面设备运行的基本保证；每个回路的状态监测通过与移变和组合 开关通讯实现。 图 2.7 供电控制系统示意图 2.7 液压支架电液控子系统液压支架电液控子系统 液压支架作为综采工作面的主要设备，其控制系统的功能、可靠性和操作方便等 性能直接影响工作面的产量和效率。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -10- 国外对液压支架研制开发比较早，科研投入也比较大，不断进行高端产品开发和 技术升级，电液控制系统的使用已成为综采工作面的必要配套设备[21, 22]。 支架电液控制系统是一套较为独立的控制系统，它采用专用的支架控制器（通常 每台支架配套一台控制器），通过总线形式，将工作面所有液压支架的控制进行联网 和统一协调控制。 配备电液控制系统， 不仅能够实现液压支架的动作控制， 还能实现， 如跟机自动化、支架姿态检测与控制和矿压监测等。 图 2.8 液压支架电液控制系统示意图 作为综采工作面自动化控制系统的核心，支架电液控制系统主要由电控系统、液 控系统、支架姿态传感器、电源等部件构成。同时，支架状态及动作数据实时上传至 顺槽监控中心，通过井下环网上传至地面调度室。 本课题重点讨论液压支架电液控制系统的设计实现。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -11- 3 电液控制系统总体方案设计 液压支架是煤炭机械化开采的关键设备， 它的支护质量直接关系到综采工作面高 效、 安全、 有序的运行。 液压支架自动化技术则是综采工作面自动化系统的关键技术， 它的研究与实现直接影响煤炭开采的效率与进度。 3.1 支架电液控制系统总体方案的确定支架电液控制系统总体方案的确定 图 3.1 电液控制系统逻辑框图 液压支架电液控制系统集电气、 液压、 机械技术为一体。 对单台液压支架来说 （图 3.1），支架控制器发出控制命令，操作对应的液控换向主阀组内的电磁先导阀动作， 继而控制电液换向主阀开启，使