综采工作面自动化控制系统研究

　　摘 要：文章对综采工作面自动化控制系统进行了研究，提出了自动化控制系统的基本原理，系统主要组成及其技术要求，对液压支架跟自动化及采煤机自动割煤的原理及途径进行了重点论述。 

　　关键词：综采工作面；自动化控制；系统研究 

　　引言 

　　我国是世界上煤炭产量最多的国家，煤炭开采历史悠久，然而由于煤炭所处的环境复杂，地质情况变化多，井下煤尘大、能见度低，导致煤矿生产常常伴随着事故的发生，严重威胁着煤矿工人的生命，造成经济损失和社会伤害。提高煤炭开采的自动化水平，以现代化设备和控制技术改造传统生产工艺技术，实现综采工作面少人乃至无人开采，是实现煤矿安全生产的根本所在，也是提高煤矿功效和经济效益的关键。因此研究综采工作面自动化控制系统具有十分重要的意义。 

　　1 综采工作面自动化控制系统的基本原理 

　　综采工作面自动化控制的基本原理：基于液压支架电液控制系统的工作面自动化控制途径，实现煤机采煤过程自动控制、支架跟机自动化、泵站智能供液控制、三机（运输机、转载机、破碎机）自动控制、工作面煤机前后视频图像以及煤机、支架、三机、泵站和各供电开关等实时参数（包括支架压力、护帮板情况、煤机各参数、泵站各参数、三机开关状态、电流等情况），通过各自接口传输到PLC主控计算机，经过主控计算机内自动化控制软件及程序的处理，完成综采工作面的自动化割煤的全过程控制，并以窗口界面形式显示出来，同时数据上传到地面各需要观察工作面情况的调度中心、领导办公室、集团调度等地方，实现远程监测和控制工作面生产情况。 

　　2 综采工作面自动化控制系统组成 

　　综采工作面自动化控制技术主要包括：顺槽胶带控制系统；转载机、论文范文破碎机、刮板运输机“三机”控制系统；工作面供电控制系统；泵站智能化控制系统；液压支架自动控制系统；采煤机自动控制系统；工作面视频系统；综采工作面信息传输及自动化控制平台系统。 

　　3 主要系统的技术要求 

　　3.1 顺槽胶带控制系统 

　　能够自动、手动、试验三种方式控制顺槽胶带的启动、停止，有远程故障查询、故障显示、故障解锁的功能，有故障性质和地点的报警功能，能够远程监控，和搭载设备自动闭锁，能就地维修控制，皮带保护齐全有监测、显示和投、撤功能，检测皮带电机的电流、电压、功率。 

　　3.2 综采面三机控制系统 

　　能够实现转载机、破碎机、刮板运输机的远程、就地、检修控制开停，三机相互之间的闭锁控制，有急停闭锁，能实现与顺槽皮带和煤机之间的相互通讯闭锁，三机的状态检测，电机的数据显示，有设备起停是的预告，有故障报警，整个工作面的通话系统和保护急停等，能够和整个自动化系统之间有网络接口，实现通讯和控制。 

　　3.3 工作面供电控制系统 

　　能实现对三机、供液泵站、采煤机的负荷开关及供电变压器等的状态、运行参数、故障报警进行监测；能做到对工作面整个供电系统实现远距离控制；对整个自动化系统进行通讯和控制的网络接口。 

　　3.4 泵站智能化控制系统 

　　对工作面泵站、过滤系统集中自动化控制，能够实现泵站智能联动控制、多级过滤、工作面紧急卸荷、自动补液（水）、乳化液自动配比、系统运行信息检测与上传等功能，实现集成供液系统智能自动控制。 

　　3.5 液压支架自动控制系统的基本功能 

　　（1）电液控制系统、支架控制中心及控制软件必须先进、可靠，功能齐全，满足对液压支架各种动作（成组拉架、成组推溜，单台支架动作）的控制，跟随煤机完成自动移架、推溜等，实现跟机自动化的功能，能实现对自身控制系统的故障能够诊断、显示和报警，并传输到计算机控制中心；（2）能实现支架的远程和就地操控、闭锁、急停；（3）应有检测支架压力、推移油缸位移量、护帮板状态、前梁伸缩状态、平衡油缸状态、顶梁纵向倾角、支架横向倾角的各类型传感器；（4）具有红外线或者数字等传输方式的采煤机位置接收器；（5）有回液压力传感器和相应配套的综采集成供液系统，实现支架乳化液的自动供液、自动清洗功能；（6）有信息传输功能和通讯接口，能够和煤机、运输机、控制中心实现畅通的数据传输、交换和通讯；能够把支架移架完成状态、侧护板伸出或收回状态、伸缩前梁状态以及输送机推移直线还是曲线的完成状态等数据不断传输给煤机，以便煤机能够根据情况进行割煤动作。 

　　3.6 采煤机自动控制系统 

　　（1）能准确检测自身位置、方向和速度的装置；（2）能准确检测摇臂的位置，并控制采高的功能；（3）能准确检测自身纵向和横向倾角的装置；（4）有煤岩的分辨功能，从而控制摇臂的自动调高和降低；（5）能够对液压支架的信息进行接收和分析判断能力；（6）煤机自动控制软件能对煤机的各种参数进行监测和控制，能够记忆和存储示煤机在割范刀时的各种参数，并把示范刀的这些数据作为自动割煤的基础数据，实现自动化记忆割煤；（7）有信息传输功能和通讯接口，能够和支架、运输机、控制中心实现畅通的数据传输、交换和通讯。 

　　3.7 综采工作面液压支架与采煤机联动作业（跟机自动化） 

　　综采工作面液压支架与采煤机联动作业也叫跟机自动化作业，是指支架跟随煤机的割煤，支架控制器检测到煤机的方向和位置信息后，液压支架会按照支架移动程序，（这些程序是工程师根据不同的采煤工艺，编制支架执行动作程序，并写入控制器程序中），自动完成相应的动作，包括自动移架、推溜、收开护帮板、自动喷雾等，配合煤机完成自动化割煤全过程。煤机与支架间的通讯、液压支架的电液控制系统以及控制软件是跟机自动化能否实现的三大关键点。 

　　煤机与支架之间的通讯，目前主要有两种方式：（1）脉冲信号传输方式；（2）红外线传输方式。这两种方式各有优点但也各有不足之处。脉冲码传输方式不受环境的影响，尤其是井下恶劣的环境对它的影响比较小，但是它对技术要求高，传递过程复杂，实际操作起来，产生的问题也较多；而红外线传输方式就比较简单，技术要求也不高，但是它最大的缺点是受工作面地板变化、煤尘状况及设备情况等影响大，干扰煤机数据的准确性。

　　煤机与液压支架要实现联动作业，液压支架必须使用具有自动化控制功能的电液控制系统，并安装计算机程序的主控制器，在整个工作面形成网络，每台支架的信号传到主控制器，主控制器经过设定的控制程序进行分许、判断，最后形成指令发给每台支架，控制支架动作。当支架上的红外线接收器（或其他方式）接收到煤机的信号后，控制系统检测出煤机的运行方向和位置，触发相应的程序，实现支架随煤机割煤而运动，这样就实现了煤机与液压支架的联动作业。支架联动作业包括：随着采煤机的持续割煤，持续不断的进行收护帮板，成组拉架，打护帮板，推溜，开启、关闭架间喷雾。 

　　同时，主控制器也把采集来的信号，通过与工作面总控制系统连网、通讯，把工作面支架的各种主要参数、以及位移、推拉量、护帮板开闭情况和采煤机的位置、行走方向等状态传输到地面控制室，再通过可视化软件平台、显示器等实现远程操作、指挥或浏览。 

　　3.8 综采工作面采煤机 

　　如果我们非常清楚工作面的地质、构造、采煤高度变化、顶底板情况、煤中加矸程度等，沿割煤方向在煤机割煤的不同时间段里，以1秒钟为一个时间单位，设定好工作面煤机的方向、速度、倾角、摇臂位置、采煤高度等参数在控制程序中，像拍电影一样，安排好煤机不断割煤的每时每刻的参数，然后煤机会按照设定的参数情况进行自动化割煤，这样煤机在程序的控制下根据不同时间不同参数进行割煤，完全没有人工去操作，实现真正的无人自动割煤工艺。但是由于井下条件复杂、变化多，而且随着采煤的进行，还不断的在变化，工作面情况我们无法完全准确的掌握，而且在采煤过程中还有可能遇到一些不可预测的事情，所以目前采取记忆割煤的自动化采煤方式。 

　　3.8.1 记忆割煤 

　　记忆割煤是目前比较先进、智能化的无人操作，煤机自动割煤的一种采煤方式。这种采煤方式的煤机要具有学习功能，每班在实现自动化割煤前，先用学习模式割两刀煤也叫示范刀，就是煤机司机在工作面先手动采煤一个循环，采煤机记录并存储学习的数据，然后根据这些数据（地质情况、采煤高度等）再使用自动化割煤方式进行割煤；同时液压支架设置为自动方式，液压支架和煤机联动作业，即降架、移架、升架、推溜整个过程液压支架都是随着采煤机的割煤自动完成跟机过程，中间不再需要人工操作液压支架。煤机和支架的信号传递是由煤机上的红外线发射器和支架上的接收器来实现的，自动跟机是由控制软件完成的。 

　　3.8.2 示范刀 

　　示范刀顾名思义就是在正式割煤前的示范割煤，也就是在自动化割煤前，由煤机司机给煤机教怎么割煤的示范过程，煤机司机进行手动割煤，控制系统软件把煤机的整个过程记忆下来，储存所有相关的数据，包括每时每刻煤机的割煤速度、左右摇臂的位置、煤机前进方向、横向倾角、纵向倾角以及煤机的位置等，根据这些数据控制软件给出自动割煤的程序。这样煤机在自动割煤时怎么行走，前面有什么情况，怎么合理的降低或者提高滚筒等等，就能按照程序的设置有条不紊的进行，自动割煤就不会是盲割、瞎割，保证割煤质量，工作面质量，确保安全、高效生产。一个完整的示范刀，必须是一个采煤循环，即从工作面一头开始，一来一回，走过整个工作面，在同一端头结束。 

　　3.8.3 自动割煤 

　　示范刀结束后，煤机被切换到自动割煤状态，它将会以示范刀割煤过程中存储的割煤程序，按照示范时煤机的方向、速度、倾角、位置以及摇臂位置、采煤高度等等，反复重复进行割煤，这些过程包括三角煤割煤的过程。自动割煤过程中，煤机的一切活动都是自动进行，不需要人去干预和指挥的，完全实现了煤机的自动化采煤。 

　　3.8.4 人工干预割煤 

　　因为井下条件不断变化，难免遇到过构造，割三角煤等比较复杂、特殊的情况，自动割煤有时还需要人工干预。遇到这类情况时在综采工作面现场配备一名司机跟机作业，根据工作面现场情况及时进行人工干预，如调整煤机的采煤机高度和牵引速度，增加刮板机过载、拖拽电缆卡死保护等措施，以防出现安全事故，提高生产效率；这就要求自动化割煤的程序要灵活可靠，可以随时退出；人工干预调整后，煤机应能够记忆这一调整，并对原来学习刀的记忆进行修改；同时，人工干预完成后，应能够在任意位置进入自动化状态。