综采工作面综合智能控制系统的研究.pdf

引言 煤炭生产过程中， 采煤机实施的破煤、 落煤与装 煤和液压支架推溜动作都会增加刮板输送机的承载 负荷。同时液压支架的移架速度会对采煤机截割速 度产生限制，泵站的供液能力又对液压支架的推移 速度产生影响， 因此， 综采工作面单机设备在发挥着 各自功能的同时又相互关联、 相互影响和相互依存， 因此必须使回采工作面单机设备相互匹配、协调作 业才能实现回采工作面的安全， 高效、 智能生产。 1综合智能自动控制系统的组成及其工作原理 SAM 型综采工作面综合智能控制系统是由传 输、 数据集中存储处理、 远性遥控及视频监视等部件 组成。综采工作面综合智能控制系统是由综合接入 器、 网络交换机、 路由器、 隔爆计算机、 远程操作台， 云台摄像仪等组成。 工作面的 “大三机” 通过破煤、 落 煤、 装煤和运煤等工序完成工作面的产煤过程。 在工 作面煤炭生产过程中，“大三机” 受生产设备、 采煤工 艺、 地质条件等环境因素的影响， 同时在生产过程中 也作用于各种环境因素， 改变着生产环境条件， 如割 煤过程中会增加瓦斯浓度等。 SAM 型综采工作面综合智能控制系统工作原 理系统是由综合接入器将综采工作面单机设备信号 通过高速以太网传送到上顺槽的监控中心的隔爆计 算机上进行数据的汇集， 通过生产流程、 采煤工艺、 设备功能性能将单机设备关联起来，构建智能控制 模型使综采工作面控制系统具备学习的能力，能够 实现工作面设备与设备、 设务与环境、 设备与采煤工 艺的有机融合， 实现工作面设备的综合皆能控制。 2SAM 型综采工作面综合智能控制系统关键技术 依据刮板输送机电流负荷数、自动调节采煤机 割煤速度，实现采煤机割煤装煤和液压支架推溜装 煤与运输系统能力参数相匹配与自适应控制，实现 以煤流负荷参数为主线的智能控制。在液压支架护 帮板上安装接近传感器，以判定液压支架护帮板是 否收回，以保证工作面设备在空间场中不会发生干 涉现象， 实现以空间参数为主线的智能控制。 在工作 面生产过程中， 粉尘、 瓦斯、 矿压等影响工作面生产 安全的因素在不断发生着变化。为了工作面安全生 产，工作面生产过程中必须依据这些环境因素的变 化来进行设备的控制。通过对工作面瓦期、 粉尘、 通 风、 顶板压力、 采煤速度等多维度的综合分析， 建立 以瓦斯、 矿压为控制主线的模糊控制模型， 实现以安 全、 高效产煤为主要目标的最佳决策控制[1-2]。 为使工作面生产过程中保证工作面的直线度， 通过在液压支架上安装找直传感器，可以实现工作 面液压支架的实时自动找直，也可以使用在采煤机 上安装陀螺仪， 自动描绘出采煤机的运行轨迹， 或是 通过工作面上加装的摄像仪，在液压支架或刮板输 送机上设定标识，通过视频图像识别的方式进行工 作面姿态智能控制。 由于液压系统采用大流量阀控制，以及电磁阀 的滞时因素， 电液换向阀动作延时缓冲瓣时间长， 导 致液压支架的控制精度下降，这主要体现在液压支 架在推移过程中，液压支架与刮板输送机之间销耳 间隙对工作面直线度产生一定的影响，同时在工作 面进行调直时容易产生过冲。在进行移架、 推溜， 工 作面找直调整时采用节流方式降低推移动作速度， 以便精确地控制单位时间内推移动作的行程，建立 高效快速准确的液压支架控制伺服系统，实现工作 综采工作面综合智能控制系统的研究 贾辉敏 （大同煤矿集团挖金湾虎龙沟煤业有限公司， 山西大同038600） 摘要 对 SAM 型综采工作面综合智能控制系统的基本工作原理、 控制模型、 拉制流程和自动化系统解决方案 进行了分析， 对 SAM 型综采工作面自动化系统关键技术与装备进行了详细的阐述。对该系统在挖金湾虎龙沟 煤业公司进行了实践应用， 效果理想。 关键词 综采工作面综合智能控制系统SAM 中图分类号 TD74文献标识码 A文章编号 1003-773X （2020） 05-0235-02 收稿日期 2020-03-09 作者简介 贾辉敏 （1985） ， 男， 毕业于河北理工大学采矿工程 专业， 工程师。 DOI10.16525/14-1134/th.2020.05.100 总第 205 期 2020 年第5 期 机械管理开发 MECHANICALMANAGEMENTANDDEVELOPMENT Total 205 No.5， 2020 自动化技术与设计 第 35 卷 机械管理开发 jxglkfbjb 面找直的精细化控制。 在液支架移架过程中会由于上串下滑，支架歪 斜，行程传感器误差累计等原因造成连续多刀割煤 后工作面支架不齐， 不能够满足工作面 “三直两可” 的要求。实现工作面的直线度控制有实时在线控制 和离线控制两种方式，其中实时在线调直方式可以 采用找直传感器， 通过横向测距， 以完成支架移架动 作后的支架为定位目标，实现液压支架的实时在线 对位找直。 这种方法实时性好， 不会有误差累计的问 题。 离线的方式是描绘出直线度偏移情况， 在事后进 行调直补偿的方式，可以通过在采煤机上安装惯件 导航系统，将采煤机割煤过程中的运行轨迹描绘出 来， 也就是将工作面刮板运行姿态进行描绘， 然后通 过液压支架进行定量补差控制，从而实现工作面直 线度面控制。 综采工作面设备能力的发挥在很大程度上受运 行环境条件的限制。 为此， 综合智能控系流将依据不 同的环境条件， 根据相关设备的历史数据分析， 增加 自学习能力，液压支力下降等条件下仍然能够使液 压支架推移控制质量达标，从而实现液压支架自适 应智能控制。根据在同等条件 （包括采煤机速度， 泵 站供液压力，顶底板条件）下完成液压支架推移速 度， 判断当前的自动跟机移架、 推溜质量是否达标， 如果发生偏移将自动化修改参数，直到调整的参数 能够满足要求。 1） 视频功能。当液压支架实现采煤机跟机自动 化控动能时，受到工作面顶底板条件等周围复杂环 境因素的制约，需要进行单个液压支架的调整。因 此， 必须有液上支架移过中完整的视频信息， 才能实 现无人化工作面液压支架的远程控制。 2） 数字网络高清视频系统。 数字高清视频系统， 即基于以太网的压缩高清视频应用网络传输结合摄 像仪的 IP 地址的视频系统。 1） 摄像仪智能清洗。通过图像识别模型智能识 别视频摄像仪污染度， 当摄像仪镜头被污染时， 自动 进行清洗。 2） 目标智能追踪。 可以依据采煤机位置、 移动中 的液压支架位置， 自动调节云台摄像仪角度， 实现采 煤机视频追踪和监视。 3） 视频全景拼接。通过采煤机视频信号可得到 具有重合区城的视频关键帧，可采用视频全景拼接 技术得到采煤机的全景图像和视频。一般通过 4 个 正像摄像头图像拼接出完整的采煤机，摄像头之间 视野画面内具备重叠区域， 当采煤机在运动时， 从四 个摄像头中同时得到四个视频画面，根据四个视频 画面中的叠区域进行两两图像拼接（即摄像头 1 画 面和摄像头 2 画面拼接，摄像头 2 画面和摄像头 3 画面进行拼接，像头 3 画面和摄像头 4 画面进行拼 接， 最后统一坐标变换， 将得到的 3 个子拼接结果图 融合成最终的一个全景图） ， 从而得到采煤机的全景 图像并实时显示。 1） 数据通信。 综合接入器为综采工作面有线， 无 线通信信号接入传输装置，可以通过综合接入器将 不同设备、不同接口的数据通过以太网高速传输链 路传送到上顺槽监控中心进行集中处理。 2） 工作面三维虚拟现实。通过构建综采工作面 和场景的二维模型进行渲染形成三维动画。通过综 采工作面设备运行数据支撑三维模型的运动，可以 通过不同的视角观察工作面设备的运行状态，观察 设备之同的相互空间位置关系。 3） 远程集控与一键启停智能控制。综采自动化 系统受到工作面自然地质环境的影响， 建立模型引 入三维地理信息系统， 精确描绘当前的三维采场空 间， 当工作面开采和推进时， 能够实时更新三维空 间数据； 采用高精度三维导航技术， 实时测量采煤 机在三维采场空间模型的姿态和位置， 按照记忆截 割事先设定的动作参数， 实现采煤机闭环运动和精 准割煤； 研发了安全感知、 摇臂调高、 俯仰采和调伪 斜等产品技术。为解决当采场地质环境发生较大变 化时， 现有传感控制精度不能满足自动化要求的问 题， 创新性地引入了人机协同规避工作面坏境和围 岩的非线性扰动， 可远程进行人工实时干预进行辅 助决策。 3实施效果 大同煤矿集团挖金湾虎龙沟煤业 15205 示范工 作面于 2017 年 810 月安装了综采设备及 SAM 型 采工作面综合智能控制系统， 2017 年 11 月工作面 正式投产， 完成了工作面设备安装， 于 2018 年 2 月 进行了系统调试， 2018 年 3 月正式示范应用。从实 践应用情况来看，以上新技术的应用及各先进系统 的合理衔接，在实际生产过程中获得了较好的应用 效果。挖金湾虎龙沟煤业公司 15205 大采高工作面 通过传统方式开采每班需要 11 人，通过 SAM 型采 工作面综合智能控制系统的实施， 工作面只需 5 人， 开采作业人员减少了 60，生产效率得到了极大的 提高。（下转第 238 页） 236 第 35 卷 机械管理开发 jxglkfbjb 装置驱动轮转速传感器和安装在驱动轮上的磁钢组 成） 实现速度的采集， 将传感器监测到的架空乘人装 置正常运行、 急停闭锁和超速运行的信息通过 CAN 总线传输至主控装置，主控装置发送信号至声光报 警装置， 控制 LED 显示屏和 MP3 播放装置进行文字 信息显示和语音播报。 3架空乘人装置急停闭锁系统达到的效果 1） 急停闭锁系统采用 CAN 总线通讯， 所有无线 基站、 主控装置、 声光报警装置、 报警控制器都是接 在此 CAN 总线上， 大量减少了设备使用量， 减少了 投入成本。而且由于采用无线传输和 CAN 总线， 大 大节省了现场空间。 2） 急停闭锁系统实现了对架空乘人装置运行状 态的动态监测， 并且可以实现急停位置的精准定位， 方便故障的快速处理。 3） 急停闭锁系统中每个无线信号发射器和无线 基站都为独立模块， 互不发生影响， 在遇到紧急情况 时，每个人的操作都是独立的，提高了系统的可靠 性。 而且不仅对斜坡段进行保护， 也可以对井底和井 口进行急停保护， 提高了安全性。 4） 操作方便， 乘车人员只需按相应按钮就可以 实现急停， 不需要伸出胳膊去抓沿线急停。 4结语 矿用架空乘人装置无线急停报警闭锁系统的投 入运行， 可以实时监测 “猴车” 状态， 操作方便， 系统 反应迅速可靠，能够及时实现架空座椅的急停报警 闭锁以及再次运行， 有效保障人员安全， 实现了模块 化作业， 增强了系统的稳定性和可靠性， 同时具有精 准定位功能， 提高了解决问题的效率， 该装置还扩大 了保护范围， 实现了对人员的全程保护。 参考文献 [1]李猛， 符如康， 张豪.煤矿新型架空乘人装置安全保护技术研究 [J].能源与环保， 2019， 41 （9） 125-128. [2]薄炜杰.基于 PLC 的煤矿架空乘人装置控制系统研究[J].机械 管理开发， 2018 （6） 177-178. [3]许清河.煤矿井下无线通信系统的应用[J].通信电源技术， 2018， 35 （7） 127-128.（编辑 赵婧） Study on the Wireless Emergency Stop and Latching System of the Mine Overhead Flight Attendant Unit under the Decentralized Control of CAN Bus Yang Weibing （Shanxi Sanyuan Fuda Coal Industry Co., Ltd., Changzhi Shanxi 046000） Abstract Aiming at all kinds of problems existing in safety, use and maintenance of overhead passenger devices in domestic coal mines, a wireless emergency stop alarm locking system based on decentralized control of CAN bus is developed, which can realize the emergency stop alarm locking and re-running of overhead passenger seat in time, and solve the problem of safety and monitoring of overhead passenger. Key words emergency stop and latch; CAN bus dispersion control; overhead passenger device 参考文献 [1]田成金. 可视化远程干预型智能化采煤关键控制技术研究[J]. 煤炭科学技术， 2016， 44 （7） 97-102. [2]符大利， 袁建平.国产综采装备无人化开采技术在黄陵矿业的 创新应用[J].河南科技， 2014 （18） 19-20. （编辑 赵婧） Study on Integrated Intelligent Control System of Fully Mechanized Mining Face Jia Huimin （Wajinwan Hulonggou Coal Industry Co., Ltd., Datong Shanxi 038600） Abstract The basic working principle, control model, drawing process and automation system solution of integrated intelligent control system for SAM fully mechanized face are analyzed, and the key technology and equipment of automation system for SAM fully mechanized face are described in detail. The system has been applied in practice in Wajinwan Hulonggou Coal Company. Key words fully mechanized face; synthesis; intelligent control system; SAM （上接第 236 页） 238