谈智能综采工作面集中控制系统设计

摘要：概述了综采工作面集中控制系统的设计原则和要求，包括：实时性、稳定性、可视化、安全性及通用性和扩展性；从四方面分析了实现综采工作面集中控制的关键技术，对系统结构进行了设计，并从远程监测和远程控制的角度阐述了系统所能实现的主要功能。

关键词：综采工作面；集中控制；关键技术；系统结构

引言

目前，我国煤矿井下工作面常用综合机械化采煤法，综合机械化采煤具有诸多优点，可实现工作面的高产高效开采，提高工作面的机械化程度[1]。综采面的另一个显著特点是机械设备种类和数量繁多，为监测作业设备的工作状态。工程师们对单个设备安装了实时监测系统，以降低其发生故障的概率，并可实现单个设备的自动化控制[2-3]。但总的来说综采面设备的智能化程度仍不高，依然需要人工操作，且多台设备之间缺乏协同性控制，存在着安全风险，故对综采工作面集中控制系统进行设计和研究具有极高的工程价值[4-5]。

1.系统设计原则和要求

传统的综采工作面设备数量众多、作业环境复杂、各设备的操作和控制较为分散，需要熟练的操作人员相互配合才能进行连续作业。为消除因人的经验性和环境的复杂性而产生的设备控制安全风险，本文设计和研究了综采工作面集中控制系统，该系统的设计需满足以下基本原则：(1)实时性随着采煤工作面的推进，作业设备的各项参数也会随之改变，处于动态变化之中，因此，综采工作面集中控制系统需实时的对设备进行参数采集和控制，使作业设备协同运行，将安全隐患降到最低。(2)稳定性综采工作面环境较为恶劣，作业设备和控制系统元件（传感器、传输线路）受多种外界因素的干扰，如地下水、有毒有害气体、电磁干扰等，综采工作面集中控制系统必须具有稳定性，达到抵抗干扰，持续运行的效果。(3)可视化综采工作面集中控制系统采集到的数据通过传输线路传送至地面控制中心，作业人员通过可视化系统进行远程操作和控制。(4)安全性系统的电气元件需符合相关标准，同时，系统应设置不同的操作权限，限制不同部门的使用范围，避免出现因人员误操作而带来的事故。(5)通用性和扩展性为达到推广综采工作面集中控制系统的目的，系统需具有通用性和扩展性，以便在系统中增设或更换相关设备，适用于不同的工程场地，增加系统的使用价值。

2.系统关键技术分析

(1)综采设备一键启停技术综采设备的一键启停技术，消除了因人员交流不畅造成的设备启动或停车顺序错误，一键启停技术包括以下几点：①逆煤流顺序启动综采工作面的各工序之间需相互配合才能达到高效率开采的目的，采煤机割落的煤需通过刮板输送机运出工作面，为避免堆煤的发生，综采面设备启动必须符合“逆煤流顺序启动”原则。即按照胶带机、破碎机、转载机、刮板输送机和采煤机的顺序进行启动，为保证作业人员得安全，每台设备启动前进行15s的语音报警。②顺煤流停机当综采工作面停止作业时，为避免设备运输负荷过大，造成设备压死，同时，方便下次启动，需遵循“顺煤流停机”的原则进行操作。即按照采煤机、刮板机、转载机、破碎机、胶带机的顺序停机（图1）。系统可自动根据运输设备的负荷量来判断运输设备是否还担负运输任务，若运输设备负荷量为0则对该运输设备进行停机操作，依次类推，实现顺序停机。(2)采煤机工艺段内姿态自动调整根据采煤机在采煤过程中截割路线可将工作面划分为不同的工艺段，如正常割煤段、扫底刀段、斜切进刀段和割三角煤段（图2）。采煤机由上一工艺段进入下一工艺段时，需进行姿态调整，综采面集中控制系统实现采煤机姿态自动调整的原理为：对液压支架进行编号，在采煤机和液压支架上分别安装红外发射装置和红外接收装置，当采煤机运行时可通过液压支架编号来识别采煤机的位置。当系统识别到采煤机需进入下一工艺段时，便可发出控制命令，进行采煤机姿态的自动调整。(3)液压支架和采煤机的协同控制在综采工作面的作业设备中液压支架起着护顶、推溜等重要作用，同时，液压支架与采煤机需相互配合，以充分保证综采设备和作业人员的安全。综采工作面集中控制系统可利用采煤机与液压支架上的红外设备判断采煤机所处位置和所处的工艺段，对需进行调整的液压支架下发指令，液压支架自动完成调整动作，实现液压支架和采煤机的协同控制。液压支架和采煤机的协同控制示意图如图3所示。(4)运输设备载荷量控制综采工作面的运输设备运输能力需与采煤设备相匹配，由于运输设备结构复杂、运行时间长常出现各类故障，如电机发热、振动，皮带撕裂、断裂等。若运输设备载荷量过大则更容易引起这些故障的发生，因此，综采面集中控制系统通过在运输设备上安装重量传感器的方法来对运输设备的负荷量进行监测，判断其是否处于超载状态，若发生超载则自动停止运输并发出报警。

3.系统总体设计

(1)系统结构综采工作面集中控制系统是基于计算机、通信、信号处理等多种技术开发和设计的，该系统将实时采集到的综采工作面作业设备运行参数上传到计算机中心，进行数据的挖掘和处理，之后，下达控制命令，实现对综采设备的集中控制。按照功能和结构的不同，可将该系统划分为三个层次，即综采设备层、机载控制层、计算机控制层，综采设备层主要是指采煤机、运输机等各类综采设备；机载控制层是对综采面作业设备进行电控及参数采集的系统；计算机控制层则对采集到的数据进行处理分析，下达控制命令，使综采工作面设备协同高效作业。(2)系统功能综采工作面集中控制系统可实现以下功能：①远程监测远程监测是综采工作面集中控制系统的重要功能之一，远程监测是通过安装在综采面设备上的信号传感器、摄像头等来对设备进行实时监测，监测到的信号可直接在地面控制系统中显示。②远程控制远程控制是综采工作面集中控制系统的核心功能，远程控制可实现人员不进入作业面，多机协同控制，达到高产高效的目的，同时，减少了综采工作面的事故隐患和发生事故的概率。根据实际需要，远程控制可在全自动、半自动模和手动式之间进行切换，若遇到设备检修等情况，需切换到手动模式，进行就地控制。

4.结论

（1）概述了综采工作面集中控制系统的设计原则和要求，包括：实时性、稳定性、可视化、安全性及通用性和扩展性。（2）从综采设备一键启停技术、采煤机工艺段内姿态自动调整、液压支架和采煤机的协同控制和运输设备载荷量控制等方面，分析了实现综采工作面集中控制的关键技术，对系统结构进行了设计，并阐述了系统所能实现的主要功能。

【参考文献】

[1]吴荣新,沈国庆,王汉卿,肖玉林.综采工作面薄煤区无线电波多频率透视精细探测[J/OL].煤田地质与勘探,2020,48(04):34-40.

[2]李刚.薄煤层工作面智能化成套装备关键技术研究[J].矿山机械,2020,48(07):5-10.

[3]孔令达.煤矿综放工作面末采期间生产技术探析[J].煤矿现代化,2020(04):8-10.

[4]吕震林.浅谈综采工作面刮板输送机快速安装工艺的应用[J].能源技术与管理,2020,45(03):132-133.

[5]苗艳青.煤矿综采工艺技术特点研究[J].石化技术,2020,27(06):232+240.

作者：常青 单位：山西高平科兴牛山煤业有限公司