综采工作面采煤机远程智能遥控技术.pdf

收稿日期２０１９－１０－３１作者简介易瑞强（１９８７），男，宁夏固原人，２００９年毕业于中国矿业大学电气工程与自动化专业，工程师，现从事煤矿智能化开采和机电技术研究和管理工作。综采工作面采煤机远程智能遥控技术易瑞强（陕西黄陵二号煤矿有限公司，陕西延安７２７３００）摘要为应对采场少人乃至无人化的需求，实现远离采场顺槽以及地面的远程遥控采煤方式成为自动化、智能化的必然趋势。在明确综采工作面采煤机远程智能遥控技术的总体要求和国内相关技术发展现状后，从远程控制技术的系统方案、安全控制逻辑和操作策略、远程记忆截割控制技术、采煤机与支架、刮板等设备的协同控制技术等方面论述了采煤机远程智能控制技术的优势和具体操作方式；分析了远控实时性技术、故障诊断及数据分析、远控操作的常态化等需要解决的关键技术，并展望了未来的发展趋势。关键词采煤机；远程控制；智能化控制；记忆割煤中图分类号ＴＤ８２３；ＴＤ６３２．１文献标志码Ｂ文章编号１６７１－７４９Ｘ（２０２０）０３－００４８－０４ＲｅｍｏｔｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｔｅｌｅｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｓｈｅａｒｅｒｉｎｆｕｌｌｙｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｍｉｎｉｎｇｆａｃｅＹＩＲｕｉ  ｑｉａｎｇ（ＳｈａａｎｘｉＨｕａｎｇｌｉｎｇＮｏ．２ＣｏａｌＭｉｎｅＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｙａｎ ’ ａｎ７２７３００，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｏｒｄｅｒｔｏｍｅｅｔｔｈｅｄｅｍａｎｄｏｆｆｅｗｐｅｏｐｌｅａｎｄｅｖｅｎｕｎｍａｎｎｅｄｉｎｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅ，ｉｔｉｓａｎｉｎｅｖｉｔａｂｌｅｔｒｅｎｄｏｆａｕ  ｔｏｍａｔｉｏｎａｎｄｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｒｅｍｏｔｅｃｏｎｔｒｏｌｍｉｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｆａｒａｗａｙｆｒｏｍｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｏｒｏｎｔｈｅｇｒｏｕｎｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｇｅｎｅｒａｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｒｅｍｏｔｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｔｅｌｅｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｔｈｅｓｈｅａｒｅｒｉｎｔｈｅｆｕｌｌｙｍｅｃｈａ  ｎｉｚｅｄｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅａｎｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｔａｔｕｓｏｆｒｅｌａｔｅｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｉｎＣｈｉｎａ，ｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｔｈｅｒｅｍｏｔｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｃｏｎ 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ｔｉｍｅｒｅｍｏｔｅｃｏｎｔｒｏｌ，ｆａｕｌｔｄｉａｇｎｏｓｉｓａｎｄｄａｔａａｎａｌｙｓｉｓ，ａｎｄｎｏｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｒｅｍｏｔｅｃｏｎｔｒｏｌｏｐｅｒａｔｉｏｎｗｅｒｅｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ，ａｎｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅｗａｓｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｓｈｅａｒｅｒ；ｒｅｍｏｔｅｃｏｎｔｒｏｌ；ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌ；ｍｅｍｏｒｙｃｏａｌｃｕｔｔｉｎｇ０引言煤炭的开采是综采工作面最主要的环节，其中属采煤机割煤开采作业最为关键。工作中，采煤机操作人员需要在工作面实时的跟机操作，精神需要保持高度的集中，同时还须具备快速的反应能力。因此，在生产中有效的减少在工作面对人员的依赖性，既能合理的控制采煤机的割煤、量化生产状态，更可以有效地避免生产环节的不安全事故的发生，同时，也为高效率的煤炭生产提供保障［１－３］。目前，国内外采煤机均已具备记忆截割、远程顺槽通讯控制等功能，目的是减少工作面的人员操作；介于以上基础，配合实时采煤机状态姿态定位和视频系统，通过操作台实现的完整控制体系则是采煤８４易瑞强综采工作面采煤机远程智能遥控技术２０２０年机远程智能遥控技术研究的核心［４－７］。基于采煤机远程智能控制系统实时监视和远程控制割煤的基本功能，同时通过远程记忆割煤技术的实现，使采煤机与运输系统、液压支架的联动控制成为可能，为无人工作面的实现奠定基础，为安全高效矿井建设与生产提供了技术保障和设备支撑。１发展现状及总体要求１．１国内技术发展现状目前，我国国内综采工作面单机装备的自动化技术研究已取得了一些成果，均具有远程控制系统，且已经完全实现了国产化，基本达到了国外同类技术水平［８－１０］。在智能型采煤机方面，国内采煤机基本实现了记忆割煤和采煤机位置检测、摇臂调高控制和机身姿态检测、机身水平控制等。遥控控制方面，基本都具备机身遥控器控制，但距离仅仅只有几米，根本无法将人工解放出采场；然而对真正意义的远离采场的远程控制系统的实际操作和使用却不尽理想，不但操作的人机效果体验不佳，在实际应用中采煤机的各种调整尚需人工干预。１．２总体要求综采工作面生产过程，根据不同采煤机工艺的需求而复杂多样，对工作面采煤机本身和煤机司机的安全性和稳定性提出了很高的要求，为实现操作人员远离采场的目标，采煤机远程控制除基本功能之外，还提出了准确性、响应快速、智能化预警控制、联动控制等要求［１１－１３］。智能化控制技术的核心正是从控制的稳定性、自动化集控程度到智能化的升级，将人为的干预操作智能化的决策并实现控制，用控制逻辑代替人脑实现快速的预判和全局的掌控，研究这些内容的主要理念应围绕着采煤机周边设备和人员的安全性，所以其控制理念一定是，设备的集成协同控制和安全的操作策略，这样才能充分解放出采场人员和发挥设备间的协同配合，使得开采的安全性和效率得到提高。２采煤机远程智能控制技术２．１远程控制技术的系统方案总体方案常用的采煤机远程控制系统，是基于采煤机自身与其顺槽的控制端通讯后，人员操作采煤机操作台通过与采煤机位置监测系统通信获取采煤机的位置和行进方向。依据采煤机视频系统，操作台发出相应指令（如滚筒的升降、牵引加减速等），该指令通过数据通信总线与采煤机通信，将信号传送给采煤机，从而实现对采煤机的远程控制，总体方案如图１所示。图１采煤机远程控制整体系统结构图控制流程在顺槽监控中心，操作者只需坐在监控中心即可通过显示器观察到工作面的情况，通过语音通信进行调度、联络；通过操作台远程操控工作面上采煤机进行割煤，配合采煤机运行数据、视频、语音、支架自动跟机和采煤机记忆割煤实施工作面生产系统协调集中控制功能。该远程控制系统，基于灵活系统框架，可兼容ＣＳ／ＢＳ架构的应用，可以实现井下和地面对采煤机的集中控制的技术突破，跨时代的让地面割煤成为可能，其控制流程如图２所示。９４第３期易瑞强综采工作面采煤机远程智能遥控技术图２采煤机远程（井下／地面）控制数据流２．２安全控制逻辑和操作策略安全控制流程由于对于远程控制技术的前提是无人和少人值守的情况，所以关于设备和人员的安全必须作为首要前提，在此提出的安全控制流程如图３所示。具体操作规程其中主要根据数据的流向等各种安全因素的考虑下控制流程，并按照以下几方面操作规程执行，将安全时刻放到第一位。①远程控制开始前确认周边设备环境； ②远控条件允许确认工作面环境； ③请求远控获得授权并发出预警； ④远控过程中时刻保持有人值守； ⑤远控异常暂停可确认安全之后恢复； ⑥远控安全退出。以上所有的步骤均从人身安全、生产及设备的角度出发，时刻保证闭环安全控制，使操作人员有足够的信心进行远程操作。图３安全控制流程２．３远程记忆截割控制技术技术优势针对现有远程记忆割煤功能，记忆割煤是自动割煤的一种模式，其主要思想是通过学习的示范刀记忆高度曲线，然后在记忆模式下按照记忆的曲线自动调整滚筒采高和卧底的方式，在远程智能遥控技术研究内容中，除以往的采煤机自身记忆割煤，主要针对远程主机作为智能核心的自动割煤研究，主要功能均在远程主机内完成，比设备本身的控制器具有更全局更为强大的算法逻辑的优势。具体功能远程主机自动工作方式分别为在高度记忆和操作记忆方式下的学习模式、记忆模式、干预模式。①学习模式下，进行人工操作，进行示范（高度和操作）学习和在线学习（人工干预将记录并作为以后记忆割煤的示范（对应高度）曲线）； ②记忆模式下，采煤机根据示范（高度）曲线进行记忆割煤，可人工干预，但人工干预不修改示范（高度）的曲线； ③干预模式是在记忆模式下人工操作指令干预之后，远程采煤机主机将操作权交给人工操作；按下记忆按钮或退出干预按钮后，远程采煤机主机收回操作权，继续进行记忆割煤。２．４采煤机与支架、刮板等设备的协同控制技术采煤机和支架的互帮防碰撞检测和预警技术通过预先检测采煤机前行方向上是否有支架的护帮未收回，来达到防止前滚筒与支架护帮碰撞的预警，实时闭锁控制，避免不安全的隐患发生。采煤机和支架的拉架和推溜漏架检测技术在０５陕西煤炭２０２０年采煤机前行割煤方向，为防止支架未拉架到位造成的工作面不在一个直线上。算法通过检测采煤机前行方向的支架行程及执行动作来决策是否发生漏架，对漏架进行预警，同时进行补架操作，从而实现智能的工作面找直，使无人干预的情况下自动跟机提供良好的预处理。故障、异常的实时干预技术对于异常故障的连锁控制，能够实现通过采煤机反馈的运行状态和参数信息，进行防治故障的异常干预策略，如截割电流的升高、对割顶和卧底装煤能力的影响，从而及时的智能干预滚筒的高度调整，真正实现无人值守的纵览全局。３需要解决的关键技术及展望３．１需要解决的关键技术实现在顺槽监控中心和地面对采煤机进行远程控制，将采煤工人真正从采场解放出来，仍存在一些困难，并需解决一些关键问题，主要集中在以下３个方面。远控实时性技术数据和控制指令在通讯过程中出现工作面到顺槽通讯传输、网络传输、人员控制操作台到主机等环节中易出现延时，这就造成了操作员在通过操作台远程控制指令发出有一定滞后，对设备的实时控制会造成很大的影响。因此，解决控制延时问题是核心关键技术之一。故障诊断及数据分析通过分析采煤机的故障信息，可以对采煤机的健康状态进行分析掌握，具体为开机率、运行时长、润滑油温度、泵电机温度等数据，可对采煤机进行生命周期的管理，以更好地在无人值守的远程监控采煤机，达到防患于未然的效果。同时对高度曲线的分析，得出根据当前采场的地理环境，该割煤工艺是否能够适合或更高效的发挥生产力，根据数据进行远程割煤的严谨性，更增加了远程控制智能性和安全性，最重要的是大大提升了操作员的远程控制方式的信心。以上正是当今技术前沿的大数据技术，如何进行数据挖掘和分析则成为了技术的重中之重。远控操作的常态化根据实际远程割煤的操作过程中，分析割煤工艺和操作习惯，从安全、值守疲劳度、方便性、快捷性、异常干预及时性等多方面出发，为操作员提供更直观，身临其境的割煤体验，培养远程割煤习惯。而这需要大量的实际操作数据采集和形成模式的远控割煤方式，才能实现远离采场的革命性升级。３．２技术展望采煤机智能的远控技术必然会成为趋势，而且自身模块要能够更为稳定智能的承担起“ 无人化” 的开采任务，同时引用更多新的技术手段，检测、预判可能的故障和关键因素，如煤岩的识别。通过数字图像处理技术对滚筒定位，及支架的干涉检测，监控图像最终为实现集成视频能够全景的显示、智能的切换２Ｄ监控画面与三维监控画面，配合语音提示、软件智能信息提示，画面智能切换，终将为采煤机操作人员提供人性化、智能化的人机操作平台。４结语随着国家国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要和国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定的颁布、实施及两化融合政策的激励，无人工作面智能化采煤技术必然迎来发展的黄金时期。现在远程割煤已然成为日常生产的标准模式，也必定会成为所有自动化综采面的必然趋势。因此，采煤设备集中远程智能控制技术的发展必将在国家整体政策的环境影响下，沿着科技发展的规律，向高智能、高信息化的方向发展，以最终实现工作面采煤无人化。参考文献［１］范京道．煤矿智能化开采技术创新与发展［Ｊ］．煤炭科学技术，２０１７，４５（９）６５－７１．［２］李首滨，韦文术，牛剑峰．液压支架电液控制及工作面自动化技术综述［Ｊ］．煤炭科学技术，２００７，３５（１１）１－５．［３］白鹏飞．基于互联网技术的综采机自动化采煤研究［Ｊ］．机电工程技术，２０１９，４８（８）１４９－１５０，２３７．［４］刘凤伟，任文永，李继忠，等．正利煤矿综采工作面全系统智能化控制的实现［Ｊ］．煤矿安全，２０１９，５０（９）１１６－１１９．［５］李玉强．基于信息和态势感知技术智能综采工作面研究［Ｊ］．煤炭技术，２０１９，３８（１１）１８４－１８６．［６］王云龙．综采工作面采煤机记忆割煤技术的实现［Ｊ］．煤炭与化工，２０１７，４０（１２）６９－７１．［７］郭卫，刘磊，郏高祥，等．基于ＭＶＣ的采煤机智能化控制系统开发［Ｊ］．煤矿开采，２０１８，２３（５）２５－２８．（下转第５６页）１５第３期易瑞强综采工作面采煤机远程智能遥控技术２．３端头支架液压系统系统构成端头支架液压系统包括前架和后架两部分。前架液压元件包括支撑油缸、立柱、护帮千斤顶等；后架液压元件包括立柱、护帮千斤顶等；前架和后架之间由推拉油缸完成动作的协调。端头支架的液压系统主要由乳化液泵站、过滤器、操纵阀、回液断路器、立柱双向锁、立柱安全阀、护帮千斤顶液控单向阀、护帮安全阀、支撑油缸液控单向阀、支撑油缸安全阀等组成。工作原理立柱的升柱、降柱和支撑等动作通过手动换向阀、双向锁等液压控制元件完成。护帮千斤顶和支撑油缸的伸出和缩回等动作通过手动换向阀、液控单向阀等液压控制元件完成。乳化液泵站的高压油液，经过操纵阀后，通过双向锁进入立柱的无杆腔，支撑顶板，立柱有杆腔的乳化液经双向锁和操纵阀后流回乳化液箱。当系统压力达到安全阀的设定值时，安全阀打开，液压油通过安全阀卸载流回乳化液箱，避免支架过载造成破坏；当操纵阀处于中位时，立柱双向锁处于关闭状态保证立柱无杆腔的液压油不流回乳化液箱，实现支架正常接顶，并保证足够支撑力。平衡千斤顶和支撑油缸的操纵阀与双向锁的作用与立柱的液压系统。３结语随着综采工作面装备水平的提高，如强力电牵引采煤机、垂直布置的交叉侧卸式输送机等设备的配套使用，使现有的端头支护方式存在维护强度大、安全隐患多等问题。端头的特殊性决定了端头区域维护困难，端头及超前支护效果对机电设备的正常运转和工作人员的安全影响极大。根据液压支架的支护要求，以及支架系统结构和工作原理，对端头支架及关键部件的技术参数进行了详细的计算和分析。该端头液压支架设计可以避免端头围岩在多种支撑压力的作用下受到破坏，提高综采工作面推进效率。参考文献［１］杨瑞琨，李士杰．ＺＴ１８０００／２２／４０型一主两副式端头液压支架的设计及应用［Ｊ］．煤矿机械，２０１８，３９（５）４０－４２．［２］贾领军．充填开采工作面端头液压支架的设计及应用［Ｊ］．煤炭与化工，２０１６，３９（１）８８－９１．［３］黄永安．综采面上下端头煤炭开采工艺研究与实践［Ｊ］．陕西煤炭，２０１９，３８（３）１１０－１１３．［４］李剑峰．端头及超前运输顺槽液压支架研制成功［Ｊ］．煤矿机械，２０１１，３２（３）１１１－１１１．［５］王庆雄．综采工作面采空区下开采端头悬顶控顶技术［Ｊ］．陕西煤炭，２０１７，３６（１）９９－１０３．［６］王志勤．轻型端头自移支架的设计及应用［Ｊ］．矿山压力与顶板管理，１９９５，１２（１）３１－３４．［７］邢小军．新型综放端头及过渡液压支架的研制及应用［Ｊ］．能源技术与管理，２００９，３４（２）７２－７３．［８］张崇宏．兖州矿区综放面端头及两巷超前液压支架研制与应用［Ｊ］．煤矿开采，２０１０，１５（３）８０－８１．［９］王永安．综放面端头自移式超前支护液压支架的设计研究［Ｄ］．青岛山东科技大学，２００５．［１０］张俊满，张孝荣，呼少平，等．Ｚ型工作面切顶留巷支护技术研究［Ｊ］．陕西煤炭，２０１８，３７（６）４４－４７．［１１］李伟，辛忠玉，牟亮礼．综放面轨道巷（沿空）端头及超前支护液压支架研制与应用［Ｊ］．中国煤炭，２００７，３３（６）檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪５５－５６．（上接第５１页）［８］孙峰．基于远程在线监控的综合防尘示范化矿井建设［Ｊ］．陕西煤炭，２０１７，３６（４）８７－８９，８３．［９］刘俊锋，刘庚，黄林．基于ＣＡＮ总线的采煤机远程控制及故障诊断装置［Ｊ］．科学技术创新，２０１８，２２（３３）１７７－１７８．［１０］王波，邓文革，关伟．自动化技术在综采工作面的应用［Ｊ］．陕西煤炭，２０１１，３０（３）１０７－１０８．［１１］符如康，张长友，张豪．煤矿综采综掘设备智能感知与控制技术研究及展望［Ｊ］．煤炭科学技术，２０１７，４５（９）７２－７８．［１２］黄曾华，苗建军．综采工作面设备集中控制技术的应用研究［Ｊ］．煤炭科学技术，２０１３，４１（１１）１４－１７，２１．［１３］付国军，杨明亮，许太山．综采无人工作面的整体设计与实现方法的构想［Ｊ］．工况自动化，２０１３，３９（１）３９－４２．６５陕西煤炭２０２０年

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