煤矿综采工作面自动化控制系统的应用_张万福.pdf

64电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering根据勘测结果表明，我国煤炭资源大约为 6769 亿吨，其中 81%为中厚煤层，19%为薄煤层。目前，煤炭仍属于我国的主要能源之一，在能源消费总量中所占的比重约为69%左右。在国内整体能源体系中，煤炭的主体地位在很长一段时间内不会改变，因此煤炭工业的发展程度与国内经济的高质量发展息息相关，煤炭工业在整体经济体系中的战略地位尤为重要。20 世纪 50 年代，国内开始引进先进的矿山机械技术用于煤炭开采，这使得矿山机械技术得到了极大的发展，但在实践过程中也存在这样或那样的问题，如精度问题、工作性能问题、可靠性问题、稳定性问题、科技含量问题等，仍有待于进一步发展和革新1。煤矿综采工作面主要涉及三个部分，即采煤机、液压支架、刮板输送机。在采煤过程中，综采工作面的各种设备需要不断的推移，一方面需要保证综采工作面少人化控制，一方面需要实现综采工作面各类设备的有序、协调控制。因煤矿综采工作面的实际工作环境复杂多变，各类设备运转时面临较大的冲击载荷，易发生故障，甚至导致整个煤矿综采工作面系统的瘫痪2。为了更好解决上述问题，构建煤矿综采工作面自动化控制系统，研究煤矿综采工作面设备的有效控制策略，对于提高煤矿综采工作面的生产率，提高煤矿综采工作面综采设备之间的协调性，提高煤矿综采工作面的自动化程度具有重要的意义。1 煤矿综采工作面的系统分析1.1 煤矿综采工作面的发展简述纵观煤炭工业的发展历程，煤炭的开采大致经历 4 个重要的阶段，第一阶段是人力开采，第二阶段是炮采，第三阶段是普通机械化开采，第四阶段是综合机械化开采。现阶段煤炭开采正逐步朝着智能化、自动化的方向迈进。煤矿开采技术逐步步入综采自动化和综采智能化的阶段，智慧矿山、无人化开采技术得到了迅速发展，自动化、信息化在煤矿综采工作面中得到了充分的应用，目前国内已有多个煤炭综采工作面实现了自动化开采，极大提升了煤矿综采工作面的作业效率。1.2 煤矿综采工作面的构成分析1.2.1 矿综采工作面的总体构成情况煤矿综采工作面主要包含三个部分，其一为采煤机，其二为液压支架，其三为刮板输送机，也被称为“三机”，煤矿综采工作面的总体结构如图 1 所示。在煤矿综采工作面中从采煤机主要负责对煤炭进行切割，刮板输送机主要负责将采煤机切割下来的煤炭输送至转载机，而后经由皮带输送机将煤炭输送至转场出，再由其他设备经由多道工序最终将煤炭运送至地面3。煤矿综采工作面中的液压支架、端头支架，其作用主要在于为综采工作面提供支护，防止煤矿综采工作面顶部出现坍塌情况，更好保障煤矿综采工作面的人身安全及设备安全4。泵站主要为执行器提供动力来源，如油缸、马达等执行器均需要依靠泵站为其提供动能。配电箱、变电站则可以为煤矿综采工作面的设备提供电力保障。牵引矫车能够在煤矿综采工作面出现较大倾角时预防采煤机的下滑，更好保障设备工作安全。集中控制台则能够操作煤矿综采工作面现场的各种设备，确保采煤、装煤、运煤、支护等各项工作任务有序进行5。煤矿综采工作面工作示意图如图 2 所示。煤矿综采工作面自动化控制系统的应用张万福（大运华盛南沟煤业 山西省宁武县 036700）摘要：本文以综采工作面的工作原理为切入点，分析煤矿综采工作面自动化控制系统的国内外研究情况，提出煤矿综采工作面自动化控制系统的设计思路与重点内容，通过系统软硬件的集成，实现煤矿综采工作面自动化控制功能，为煤矿综采工作面的自动化作业提供基础平台。关键词：综采工作面；自动化控制系统；自动化作业；基础平台图 1：煤矿综采工作面的总体结构65电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering1.2.2 煤矿综采工作面的具体构成分析1.2.2.1 采煤机具体来说，煤矿综采工作面的采煤机也包含 3 个部分，分别是牵引部、切割部、电气部。采煤机示意图如图 3 所示。采煤机的牵引部主要负责带动设备沿着滑轨进行移动，是采煤机的重要组成部分。在煤矿综采工作面工作实践中，采煤机牵引部承担着调整设备位置的任务，基于牵引部动力的输出可以保障设备沿着工作面自如移动，灵活地开展煤矿综采工作面的采煤任务6。根据煤矿综采工作面牵引部牵引机构形式的不同，可将牵引机具体分为 3 种，即链轮链轨式牵引机、齿轮销排式牵引机、销轮齿轨式牵引机；根据煤矿综采工作面牵引部牵引传动形式的不同，可将牵引方式具体分为3 种，即机械牵引、液压牵引、电动牵引7。其中机械牵引对于煤矿煤层条件的适应性较差，难以实现无极调速，但具有制造简单、运行可靠性较好、结构较为紧凑、便于检修和维护等优势；液压牵引相较于机械牵引更容易实现无级调速和方向转换，操作上更为便捷，并具有体积较小、扭矩较大、稳定性较好等优势，现阶段已得到了十分广泛的应用；电动牵引的优势在于结构简洁、重量较轻、运行过程中稳定性较好，其主要依靠电机的调速实现对牵引速度的无极调节8。采煤机的切割部主要负责通过减速机实现电力动力的减速，并将动力传递至切割滚筒，滚筒旋转实现对煤炭的切割，滚筒上的螺旋叶片则负责将切割下来的煤炭输送至综采工作面的刮板输送机。切割部主要包含 5 个部分，第一是传动装置，第二是滚筒调高装置，第三是摇臂，第四是滚筒，第五是挡煤板9。其中传动装置能够将采煤机电机动力传送至滚筒，为滚筒的运行提供所需要的扭矩、速度等，同时也能够满足滚筒调节自身高度的要求，确保滚筒以合适的高度处于适宜的工作位置进行旋转切割操作。滚筒调高装置属于一套独立的辅助液压系统，其作用在于对滚筒的高度进行调节，具体由 4 个部分构成，及先导控制阀、主方向阀、液压缸、调高机构，其中先导控制阀主要负责对先导油液的控制进而带动主方向阀的换向，主方向阀主要负责对油液流动方向进行切换，液压缸主要负责伸缩动作的驱动进而带动摇臂的运动，在摇臂等调高机构的运动状态下即可实现了滚筒的调高功能10。滚筒是采煤机切割机构的重要组成部分，主要负责从煤层将煤炭切割下来，并将切割下来的煤炭输送至输送带。1.2.2.2 液压支架液压支架在煤矿综采工作面中主要负责承受顶板演示的载荷，液压支架的顶梁与顶板直接接触，液压支架的前梁、护帮千斤顶承担着对煤矿综采工作面作业空间的防护功能，液压支架的立柱油缸负责承受支架上部的重量及来自于顶部的压力11。根据煤矿综采工作面巷道情况与煤层的具体情况可对液压支架的高度进行调节，千斤顶与互移框架的推动可以实现对刮板输送机的推移，并实现液压支架的自移动。液压支架的掩护梁主要用来防护综采工作面空间内矸石涌入，同时还能够承受来自于顶板的水平推力。1.2.2.3 刮板输送机煤矿综采工作面的刮板输送机可分为机头部、机身部、机尾部，具体由 5 个部分组成，第一是传动装置，第二是刮板链，第三是溜槽，第四是推移装置，第五是紧链装置12。刮板输送机由电动机驱动，经联轴节、减速器等装置驱动链轮的转动，进而带动刮板链和刮板实现循环地、连续地运转，刮板输送机主要负责将采煤机切割下来的煤炭输送至制定的地点并对煤炭进行转运。刮板输送机示意图见图 4。其中传动装置包含电动机与减速器等，电动机负责刮板输送机的动能供给，基于减速器可实现刮板输送机的降速增图 3：采煤机示意图图 2：煤矿综采工作面工作示意图66电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering扭，借助传动轴对动力进一步传送可实现旋转运动直线运动的转变，进而驱动刮板链的运动。刮板链是刮板输送机的牵引机构与推移机构，通过齿轮的旋转可以带动一节节圆环链沿着工作面进行直线运动，圆环链的每一固定距离之间均安装刮板，在闭式圆环链的带动下可驱动刮板推动煤炭的移动和转运。溜槽的作用在于为刮板输送机的牵引链提供导向，并支撑刮板输送机所运输的煤炭，在实际煤矿综采工作面的作业过程中，为了扩充刮板运输机的装载容量，在溜槽的两侧均配置了挡板以避免煤炭输送转运过程中掉落，挡板也可以作为煤矿综采工作面电缆铺设、采煤机导向管及各种管道的重要载体。推移装置主要负责为刮板输送机提供推力，在煤矿综采工作面移动时，推移装置能够跟随工作面将刮板输送机送至适宜的位置。值得注意的是，推移装置自身并没有动力源，其功能的实现需要借助液压支架的千斤顶。因此实际上液压支架上均会预留连接刮板输送机推移装置的接口，实现两者之间的快速安装和连接。在刮板输送机中，紧链装置主要负责为刮板链时刻保持适宜的张紧力，基于紧链装置可避免刮板输送机刮板链出现松动而加剧设备的磨损等情况，避免造成机械干涉，更好保障煤炭输送机转运的连续性和可靠性。2 国内外煤矿综采工作面自动化控制系统分析煤矿综采工作面自动化水平的提升是国内外煤矿开采领域的研究热点。现阶段，国内外煤矿机械装备的制造企业、供应企业、科研机构、煤矿等均对综采工作面自动化开展了深入的研究。综采工作面自动化系统的应用及发展中，具体体现在以下几个方面：2.1 采煤机自动化控制系统采煤机是煤矿综采工作面生产割煤的关键设备，采煤机运行过程中如果出现问题将带来严重的经济损失。国外关于采煤机自动化控制系统的研究研究中，德国艾柯夫公司生产的采煤机自动化控制系统备受关注，该系统不仅可以实现记忆割煤、自动调高滚筒、过载保护等较为基础的功能，还增加了红外摄像、防机械碰撞、煤岩识别、煤层分层检测等多项功能13。国内关于采煤机自动化控制系统也开展了较为深入的研究，在采煤机远程自动化控制、记忆割煤等方面进行了大量的研究并取得了一些成果，但滚筒自动调高与采煤机工作稳定性的自动化控制方面仍需进一步开展技术攻关。在煤矿综采工作面中，采煤机是运动的，也是煤炭开采流程中的最前序设备，采煤机与综采工作面其他设备的关联性直接影响煤炭开采的实际产量与实际效率。未来关于采煤机自动化控制系统的研究，应从运输设备负荷、支护设备跟机速度等方面进行强化，以实现采煤机运行速度的自动化调节，并确保采煤机能够根据地质条件实现滚动高度调整的自动化。2.2 液压支架自动化控制系统目前国外液压支架自动化控制系统相对成熟，尤其是西方发达国家，在液压支架电液自动化控制系统方面取得了十分显著的成果，液压支架电液控制系统产品的应用十分广泛。液压支架自动化控制系统自动化水平方面，不仅实现了单机自动化、跟机自动化，还实现了成组设备的自动化控制及支架姿态的自动化监测与自动化控制。近年来，国内也十分关注液压支架自动化控制系统自主知识产权的研发，伴随煤炭经济形势的不断发展，很多煤机设备研发供应企业开始了综采设备国产化进程的推进，随即带动了液压支架自动化控制系统的推广与应用，尤其是在液压支架电液控制系统方面，郑煤机、四川神坤等产品已实现了煤矿井下全工作面的应用。图 4：刮板输送机示意图1.机头部；2.机身部；3.机尾部67电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering2.3 综采工作面运输自动化控制系统在煤炭综采工作面，美国、澳大利亚等发达国家纷纷借助先进的计算机技术、电液控制的液压支架、大功率电牵引的采煤机、可实现软启动的刮板输送机实现了综采工作面三机的自动化控制，同时实现了煤矿综采工作面井下环境安全信息的实时自动化监测及自动化控制。关于煤矿综采工作面运输自动化控制系统系统，国内煤矿运输设备企业也相继开展了一些研究和实验，目前已基本实现减速器与电动机温度的自动化监测、变频电机的软启动、综采工作面三机的顺序逻辑控制、运输机链条张力自动化监测与控制、自动化调速运行、皮带机尾推移自动化控制等多项功能14。2.4 自动化煤矿综采工作面随着科技的迅速发展与煤炭开采生产实际需求的不断变化，国外煤机制造企业已经不再局限于研究煤矿综采工作面独立设备的自动化系统了，而是积极探索煤矿综采工作面全面自动化技术，并在自动化信息集成技术方面开展了较为深入的研究。就当前形势来看，美国、澳大利亚等西方发达国家在煤矿综采工作面自动化控制系统方面仍走在前端，并逐步实现了煤矿综采工作面采煤机、液压支架、刮板输送机的自动化运行，使自动化采煤成为可能。与此同时，DBT、JOY 等国际综采设备高端供应企业能够提供煤矿综采工作面的成套综采设备，并具备相对独立且完善的综采工作面自动化控制体系。在西方发达国家已经有越来越多的煤矿综采工作面安装了成套综采设备并配置综采自动化控制体系。关于自动化煤矿综采工作面国内企业始终在积极探索，在综采工作面自动化控制技术方面进行了多维度、多元化的尝试，取得了有效成果。但多数处于试验阶段，自动化煤矿综采工作面的常态化应用仍旧需要一定时间。现阶段，国内煤矿综采工作面的综采装备控制系统均由设备供应商提供，各种控制系统的软件协议、接口、冗余功能等难以实现集中整合与集中控制，各个设备之间难以进行有效的信息交互，设备之间的协同合作也成为一大难题。当前，煤矿综采工作面已经对设备运行情况、设备工作状态监控提出了更高的要求，单机设备的自动化控制系统难以满足整个综采工作面的生产需求。未来，煤矿综采工作面自动化控制系统的深入研究势在必行，实现整个综采工作面的自动化控制和智能化开采也是未来研究的重点方向。3 煤矿综采工作面自动化控制系统的构建研究煤矿综采工作面自动化控制系统的构建需要结合采矿现场的作业需求，结合实际煤矿综采工作面的工况特点以及现有科技水平，基于系统功能要素对煤矿综采工作面自动化控制系统整体架构进行设计，并指导煤矿综采工作面自动化控制系统关键子系统的设计，实现煤矿综采工作面各个子系统的集成和监控，最终实现煤矿综采工作面的整体集中控制。煤矿综采工作面自动化控制系统架构图如图 5 所示。该煤矿综采工作面自动化控制系统包含控制中心、水分控制系统、煤机位置测量系统、液压支架电液控制系统、煤岩界面识别及煤层特片追踪系统、采煤机控制系统、惯性导航系统、溜坡控制系统、地理信息系统，基于上述技术实现了煤矿综采工作面自动化控制系统的多种功能。具体功能如下：（1）具备煤矿综采工作面的集中监控功能，能够获取煤矿综采工作面的监测画面；（2）具备支架自动跟机功能，可实现中部跟机的常态化使用以及端头斜切的特定条件使用。（3）具备制剂远程控制功能，可通过控制中心实现对支架的开解锁与执行动作。（4）具有远程移架功能，在支架自动跟机时可获取支架的移架状态视频。（5）具备采煤机记忆截割功能，可就地或远程状态下启动这一功能。（6）具备采煤机远程控制功能，能够基于集控中心实现对采煤机的远程控制，自动化控制采煤机的牵引、调速、摇臂高度等。（7）具备综采工作面设备的集中监控功能及一键远程启停功能，在满足综采工作面设备启动要求的状态下，可通过远程一键启动依次启动煤矿综采工作面皮带、破碎、转载、刮板等装置，也可以通过远程一键停止依次停止煤矿综采工作面采煤机、刮板机、转载、破碎、皮带等装置，在启动和停止前均进行语音提示，监控画面实时动态显示设备启动和停止过程。（8）具备数据统计及数据分析功能，能够对煤机轨迹、图 5：煤矿综采工作面自动化控制系统架构图68电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering综采工作面压力分布情况、液压支架压力曲线等进行分析并形成报告。（9）具备综采工作面的实时监控功能，综采工作面自动化控制系统的疾控中心能够对液压支架、采煤机、固定点视频图像进行显示，随着采煤机的移动跟机视频画面也会实时动态变化，始终显示综采工作面煤机滚筒、线缆槽等装置的运行状态。（10）具备地面自动化监测及自动化调度功能，地面的调度中心能够基于煤矿综采工作面自动化控制系统实现监控画面与井下软件监控画面的一致，对井下情况进行自动化监测，并根据具体情况实施自动化调度。该煤矿综采工作面自动化控制系统在集成设计方面主要通过硬件设计与软件设计 2 方面来实现。硬件设计方面选择的是煤矿井下高性能防爆计算机，配置 VGA 视频通讯接口和 485 通讯接口，基于 RJ45 工业以太网通信接口完成井下部分的操作，实现煤矿综采工作面的监控功能。设备数据采集和控制选择的是 PLC 控制系统，完成对采煤机、液压支架电液控制系统等设备的数据通信及自动化控制。数据交换选择的是 CPU 通讯模块、CP 现场总线模块、数字量输入与输出模块、模拟量输入模块等作为通信信道，实现煤矿综采工作面设备的数据交换。软件设计方面，煤矿综采工作面自动化控制系统的集成设计采用的独立数据采集模块，该模块能够分开处理数据采集与界面显示，进而减轻集控系统的负担，为煤矿综采工作面自动化控制系统的数据交互提供更加友善和和谐的通道。基于独立画面处理、占用少量资源的原则，该系统的集成设计十分关注数据交换的稳定性、时效性。软件系统不仅可以支持 OPC server 架构，还能够支持 OPC client 架构，能够为不同系统或煤矿综采工作面不同设备之间的信息采集与数据交互提供有利平台。4 结束语综上所述，为了更好满足煤矿综采工作面生产率的需要，伴随计算机控制技术、通信技术、传感器技术的不断发展，综采工作面自动化控制系统的覆盖范围也在逐步扩大，综采工作面机械设备逐步朝着智能化、自动化、高速化的方向发展，并逐渐实现少人、无人、安全的作业状态。本文结合综煤矿开采的实际需求，对煤矿综采工作面进行了系统分析，研究了国内外综采工作面自动化控制系统，并提出了煤矿综采工作面自动化控制系统的系统构架，对系统的功能及系统软硬件集成设计进行了分析，形成了煤矿综采工作面自动化控制系统平台，为煤矿综采工作面智能化开采的各项关键技术研究提供了基础支撑。通过本次研究发现，煤矿综采工作面自动化控制系统的构建，需要结合实际工作情况、技术支持、功能需求等，以提高煤矿综采工作面作业质量与效率为原则，不断完善自动化控制系统的构架和功能，为煤矿综采工作面的自动化控制及运行提供关键技术与平台支撑，使煤矿综采工作面实现更高等级的自动化、智能化作业。参考文献1 柴济中.煤矿综采自动化成套技术与装备创新和发展J.中国石油和化工标准与质量,2021,41(18):146-147.2 宋学凯.智能化综采工作面自动化高质量技术应用浅析J.中国石油和化工标准与质量,2022,42(12):186-189.3 贾华龙.庞庞塔煤矿综采工作面自动化控制系统设计J.煤矿现代化,2022,31(1):71-73.4 李明明.探索煤炭综采自动化控制系统对煤矿安全生产的作用 J.低碳世界,2021,11(3):172-173.5 程晓军.煤炭综采自动化控制系统对煤矿安全生产的重要性探讨 J.当代化工研究,2022(24):140-142.6 王建平.煤矿井下自动化综采技术的应用研究 J.机械管理开发,2021,36(5):141-142,145.7 张磊.煤矿开采液压支架电液自动化控制系统的设计研究 J.机械管理开发,2022,37(8):260-261,264.8 李广友.煤矿井下自动综采关键工艺技术研究 J.机械管理开发,2021,36(8):297-298.9 英鹏程.煤矿电气自动化控制系统的优化设计 J.集成电路应用,2022,39(1):264-265.10 魏其东,喜珩珺,尚晓龙.综采工作面自动化控制系统的探索与应用 J.煤炭技术,2017,36(10):228-229.11 宋单阳,宋建成,田慕琴,等.煤矿综采工作面液压支架电液控制技术的发展及应用J.太原理工大学学报,2018,49(2):240-251.12 刘春.综采工作面自动化和液压支架电液控制 J.电气传动自动化,2019,41(6):33-35.13 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):116-119.14 艾井石.锦界煤矿 31111 综采工作面集中控制系统的应用 J.陕西煤炭,2017,36(2):65-68.作者简介张万福（1986-），男，山西省宁武县人。大学专科学历，初级。研究方向为矿山机电。