無人采煤工作面系統

綜采工作面是現代化煤礦生產的主要環節，是煤礦生產中設備最多、環境最惡劣、工作最復雜的系統，至今一直是各國大力研究的課題。智能化綜采工作面控制系統，實現采煤作業的自動化控制以及遠程遙控;通過采煤機記憶截割調節控制，采煤機、支架電液控制、運輸系統的整體協調控制技術，實現設備的就地/集中/遠程三級網絡管理，系統能夠根據運輸系統負荷的大小，自動調控采煤機的生產能力;通過無線網絡覆蓋，實現移動設備采煤機在工作面環境下的可靠通訊，視頻、語音、數據三網合一，解決整個作業面的通訊瓶頸，割煤過程視頻自動跟蹤監控;根據設備之間傳感器的物聯網技術，實現相關設備的姿態識別，故障提前預警，實現工作面協調、安全、可靠的生產。整個項目技術達到國際先進水平。

采用先進的數字化控制技術，實現工作面綜采自動化是21世紀采礦工業的研究熱點,能夠提高我國煤炭生產設備的研究設計與生產制造能力。

折疊編輯本段系統組成

如圖所示。整個系統包括以下十個子系統。

1) 地面調度中心綜采作業面數據監控與三維展示子系統

2) 井下順槽設備列車的集控平臺與軟件子系統

3) 有線通訊網絡及無線覆蓋子系統

4) 綜采工作面視頻監控子系統

5) 具有遠程測控和姿態檢測的智能化采煤機

6) 支架姿態檢測及支架電液控制子系統

7) 刮板、轉載、破碎、皮帶運輸連鎖控制與工況檢測子系統

8) 供電設備及數據監控子系統

9) 泵站控制與數據監測子系統

10) 刮板機俯仰傾角及曲直變化檢測傳感器子系統

通過建立工作面實時工業以太網與無線覆蓋網絡，將各個相關設備聯系在一起，實現與各個裝置的數據通訊。在順槽集控中心實現對工作面設備的遠程控制，設備包括:采煤機、支架、刮板輸送機、轉載機、破碎機、負荷中心、泵站。對每個設備的工況數據采集、存儲、顯示、報警，遠控。以采煤機位置為坐標，實現對采煤機與支架的視頻跟蹤切換，完成對整個工作面設備的可視化管理。

通過構建由井下順槽控制中心、綜采工作面有線/無線全覆蓋網絡、設備遠程控制與語音通訊系統、工作面視頻監控系統、數據分析與診斷預警、工作面設備姿態檢測系統、轉載機、破碎機、泵站以及膠帶輸送機的連鎖控制等組成的自動控制平臺，實現工作面液壓支架、大型采煤機、刮板輸送機的協調控制，完成綜采工作面生產過程自動化控制功能，提高生產效率;并對主要生產設備工況的實時在線監測、及時發現故障隱患，提高設備開機率;將采集到的數據通過煤礦的高速信息網絡傳輸到地面的調度中心，在地面調度中心設置存儲服務器，對相關數據進行存儲、顯示和分析，實現數據共享與遠程管理。

折疊主要研制內容

智能化綜采工作面集控平臺主要包括:井下順槽控制中心與地面操作平臺;采煤機、支架、刮板輸送機聯動控制裝置及工藝控制軟件 ;綜采工作面的通訊網絡系統;工作面視頻圖像監控系統;相關設備的數據通訊規約及數據采集分析軟件，乳化液泵站。

智能化綜采工作面集控平臺，包括采煤機、支架、泵站、刮板輸送機、破碎機、轉載機、皮帶輸送機等設備的工作狀態的監測與生產運行自動化集中控制，通過與視頻監控技術的結合，實現上述設備的遠程遙控操作。順槽控制中心采用高性能的防爆計算機和實時數據庫采集軟件，組成井下數據采集與監控系統，采用綜采工作面專用控制裝置，實現相關設備的控制。設計視頻監控平臺，實現對整個工作面的可視化圖像監控。最終實現在順槽控制中心對整個工作面生產情況與設備工況的實時監測，完成對采煤機實現遠程啟停/換向/加減速/調高/噴霧等操作控制，每個支架動作的遠程控制與成組遠程操作控制，根據工藝要求實現采煤機與支架電液控制系統的調協控制、根據運輸系統自動調控采煤機運行、運輸程序閉鎖、保護與報警。分析軟件對歷史數據和實時數據進行分析與記錄，還有權限管理功能。實現整個工作面設備的視頻化遠程集中控制，并結合高速通信技術實現工作與生產信息的網絡化遠程傳輸與人員視頻對話功能;

地面操作平臺與順槽控制中心實現1000兆寬帶數據通訊網絡，可對工作面設備運行工況與生產情況進行實時觀測，并可在緊急情況下對采煤機、支架、三機、泵站與皮帶進行急停的網絡化遠程干預控制。地面集控中心的計算機對無人綜采工作面的二維或三維模擬仿真，并實現與工作面可視系統的視頻信號結合，實現模擬場景與現實場景一體化與隨意切換; 如下圖所示:

折疊通訊網路平臺

采用有線網路與無線網路相結合的通訊技術，采用無線網絡為工作面移動設備數據傳輸提供了通道，為工作面自動化的實現起到了關鍵作用。通過該網絡實現采煤機的工作狀態監視與控制和視頻圖像的實時跟蹤。

在煤礦的綜采自動化控制系統中要想實現操作人員離開工作面，實現綜采設備的遠程控制，必須通過有線或無線的通訊方式實現對采煤機的數據采集與監控，采煤機作為一個移動的設備，采用有線通訊的方式。這種通訊方式，由于電纜的折疊與移動，經常發生斷線，維護困難。再加上與動力電纜同纜傳輸，信號干擾嚴重。更好的通訊方式為無線通訊。在本項目中，實現整個工作面的無線覆蓋，實現與采煤機的數據通訊、視頻傳輸，不僅滿足通訊帶寬的要求，而且避免拖纜中來回折疊產生的光線或電纜折斷的問題，屬于關鍵的技術。

折疊綜采可視化

綜采工作面可視化無線監控系統是專業為煤礦綜采工作面量身打造的集視頻監控、網絡傳輸、無線手機通訊為一體的井下無線網絡平臺。針對工作面大粉塵、照明差、區域狹長、設備動作復雜不宜敷設固定線路等特點，為可視化綜采工作面提供最佳解決方案。實現對整個工作面的可視化遠程控制，是整個系統的重要組成部分。

通過視頻監控系統傳送的工作面圖像，操作人員才能根據煤層變化情況、滾筒截割情況、支架狀態等信息，必要時對采煤機進行遠程干預，干預操作功能與操作人員跟機作業時相同，可實現采煤機所有動作的干預。通過遠程干預可以避免在地質條件變化或煤層變化時采煤機切割到巖石等情況的發生。自動跟蹤實時視頻監控系統，對工作面設備安全運行提供了有效的保證。

工作面視頻圖像監控系統是實現工作面可視化的重要組成部分，將視頻數據通過無線網絡和有線網絡相結合的通訊方式傳輸到工作面集控平臺，實現圖像自動跟著采煤機移動功能，采煤機運行到什么地方，對應位置的視頻圖像實現切換。實現對采煤機的隨機監控。針對工作面煤塵大，采用氣體保護技術實現對鏡面的專利保護技術。使操作司機通過視頻畫面隨時了解現場情況。通過智能化綜采工作面集控平臺實現對現場設備的遠程干預。

折疊實時控制系統

1) 采煤機與支架電液控制系統的整體協調控制技術

該技術將采煤機的自動記憶截割和支架根據采煤機位置自動追機拉架和實時視頻跟蹤看成一個整體的控制工藝，實現整體協調、安全保護與可視化控制。

智能化綜采工作面集控平臺可以根據采煤工藝的要求，設定不同的工作模式，實現支架、采煤機與刮板輸送機等設備的協調聯動控制。通過仿真還原采煤機的工作姿態和支架的工作姿態，計算各設備時間的相對位置關系，預測各個設備之間的運行軌跡，實現不同設備間聯動閉鎖;實現采煤機的記憶截割功能，結合采煤工藝，完成支架與采煤機的跟機作業，斜切進刀、調斜等功能要求，將整個工作面聯系成一個有機的整體。

按照定位與導航技術控制采煤機自動割煤，控制支架根據采煤機位置實現自動追機拉架。實現工藝要求的斜切進刀、端頭掃底煤等各種工藝的遠程協調控制，對于綜采工作面采煤機的自動截割技術以及支架電液控制技術，均是獨立的控制系統，還未實現工作面整套綜采裝置的整體協調控制。將工作面整套裝置作為一個控制的整體，對采煤機自動記憶截割和電液控制系統的拉架、推溜、打護幫板、收護幫板以及間架噴霧等隨機聯動控制。采用嵌入式防爆計算機與采煤機和電液控制系統通訊，通過程序智能化控制軟件進行綜采設備整體與整個作業流程的自動控制、適應、保護、調整和修復。同時，采用視頻實時跟蹤技術，實現工作面設備可視化遠程自動操控。

2) 根據運輸系統的負荷大小，自動調控采煤機的生產能力

主要通過采煤工藝智能化控制系統來實現，采煤機采煤速度與刮板機運輸系統存在負荷匹配關系，采煤機與支架移架速度也存在相互協調配合的問題。通過采煤工藝智能化的協調控制，使工作面整體系統工作在最佳狀態，實現工作面協調、安全、可靠的生產。以運輸系統的負荷參數控制采煤速度，實現設備之間的均衡作業;通過調節采煤機截割高度和運行速度。

工作面運輸系統與采煤機僅有起停上的邏輯連鎖，沒有負荷上的調節配合，經常出現設備過載停機，采煤速度的調控靠人員進行調節。本項目中，我們將設備負荷的自動調節，納入整個采煤工藝智能化控制系統中。當刮板輸送機承載狀態發生變化時或刮板輸送機過載時，采煤機將自動改變割煤速度、深度來調整生產能力。即根據運輸系統的負荷變化，自動調控采煤機的牽引速度，調整生產能力。

3) 遠程人工干預與記憶截割相結合的采煤機控制技術

由于綜采工作面地質條件和環境極為復雜，因此采煤機在不同的位置采高控制不是固定的，需要根據頂板巖層的變化而變化。其牽引速度也是根據負荷而變化。因此，采煤機需要通過人為操作一個循環割煤周期自學習一遍。在遠程遙控時，采煤機將根據學習時的記憶數據進行割煤。但是如果工作面情況與學習記憶數據極端不一致時，需要人為手動干預，這時，需要清晰的視頻圖像作為干預控制的基礎。綜采工作面工況復雜，靠傳感器不能檢測到所有的現場情況，采用攝像機觀察工作面的情況是不可缺少的監控手段，與傳感器相互配合，是操作司機能夠遠程操作的重要依據，是人目視范圍的延伸，因此，可視化與記憶截割相結合，才能實現真正的遠程遙控。但由于工作面煤塵較大，影響攝像機視頻圖像的清晰度，對此，我們專門對前端攝像機采取了氣體防塵的專利技術研究。對網絡通訊采用無線傳輸技術。通過軟件實現采煤機遠程可視化控制。

折疊系統實現目標

1) 通過視頻監控系統，對安裝傳感器無法完成的設備狀態進行可視化監視，實現工作面的可視化管理。

2) 通過建立有線、無線通訊網絡，實現與各相關設備數據的采集與遠程控制。

3) 通過采集刮板機的傾角和順槽的標高，建立數據庫存儲相關數據，反應整個工作面的地形情況和煤層走向。控制采煤機的臥底量，避免刮板機垂直彎曲度大于3度，實現刮板機與順槽的平滑過渡。

4) 通過采集兩節刮板機的夾角，反應刮板機是否在一條直線及彎曲段的位置，將此數據發給支架電液控制系統，調節推移油缸步距，最終實現工作面的調直。

5) 通過采集采煤機的位置信號，作為整個記憶切割和追機拉架的坐標，實現端頭的精確定位，免避采煤機超出行程割斷電纜，并實現視頻圖像的跟機切換。

6) 采集采煤機機身和搖臂傾角，計算出采煤機的采高和臥底量，控制采煤機的運行。

7) 通過采集采煤機的振動、聲音和負荷，給操作司機提供采煤機是否割到巖石的判斷信息。

8) 通過采集采煤機的電流和速度，實現采煤機速度的閉環控制，調節不同位置的牽引速度，并結合運輸系統的負荷大小，控制采煤量。

9) 通過采集電液控制系統前護邦、伸縮梁是否收回的判斷信號，與采煤機控制相配合，避免出現與支架的干涉與碰撞。

10) 通過采集電液控制系統支架頂板的傾角，調節頂板支護情況，使頂板盡量平直接頂，避免出現支架的"翹架"，并與左右領架比較，對出現異常情況進行報警。

11) 通過采集支架間人員定位，給操作司機遠程控制提供信息，避免出現安全隱患。

12) 通過采集支架的立柱和前護邦的壓力，判斷支架是否支護到位，當壓力小于初撐力時，系統進行自動補壓預緊。并將相關壓力數據上傳調度中心，實現綜采工作面礦壓監測。

13) 采集支架推移油缸的行程，通過行程判斷支架是否拉架到位，與采煤機的位置和速度相比較，如果拉架滯后超過設定范圍，調節采煤機的速度，使采煤機位置和拉架在設定范圍之內。

14) 根據采煤工藝，建立控制流程，控制采煤機、支架和刮板機按設定的流程和步驟進行運行。

15) 采集刮板機、破碎機、轉載機的溫度信號，當溫度到達設置的預警值時提前報警。當溫度超過了停機設定值，急停設備。

16) 采集采煤機、刮板機、破碎機和轉載機的水流量和壓力值，實現提前預警，當超過設置的停機值時，急停設備。

17) 采集采煤機、刮板機、破碎機、轉載機、自移機尾和皮帶的開停機信號，實現設備的聯鎖啟停。

18) 采集設備的開關量報警信號，顯示報警。當收到報警停機信號時，聯鎖停機。

19) 采集設備的電流、電壓和功率，判斷設備的運行負荷，過載保護停機。

20) 采集采煤機、刮板機、破碎機、轉載機、自移機尾和泵站的油溫和油位信號，顯示報警，當收到報警停機信號時，聯鎖停機。

21) 采集采煤機軸承振動傳感器報警信號，顯示報警。當收到報警停機信號時，聯鎖停機。

22) 將工作面的相關數據傳輸到地面，實現在地面進行數據的存儲并通過計算機網絡實現共享，達到生產管理信息化。

折疊結束語

無人值守的煤礦綜采工作面自動化控制，是21世紀采礦工業的研究熱點,能夠提高我國煤炭生產設備的研究設計與生產制造能力。