煤矿井下短壁工作面区域自动化研究

唐会成

(中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

近年来，随着数字化、信息化、智能化矿井建设的提出，大量新设备的不断涌现以及新技术的运用，促使煤矿采掘设备自动化水平得到了飞速发展。综采工作面通过可视化、信息化、网络化等技术的初步运用，实现了煤炭生产的自动化。而短壁工作面由于生产环境恶劣、生产过程复杂、场所分散、设备移动频繁等原因，没有成熟、有效的自动化应用[1]。

目前，短壁工作面在生产过程中每台设备至少配备一名专职操作人员。设备之间都是相对独立的个体，操作人员不能及时了解其他设备的工作状态，导致设备不能高效、有序工作，常常造成生产和运输脱节，并容易发生堆煤、碰撞等事故。短壁工作面区域自动化就是通过传感器、无线通信等技术运用，把多个生产环节和多台设备作为一个整体，以实现采、装、运协同控制，确保资源有效利用和减少能耗、提高矿井生产安全效率。其充分发挥了设备性能，提高了开采效率[2]。

1 短壁工作面设备

1.1 连续采煤机

连续采煤机是煤矿井下一种掘进设备，适用于短壁开采设备及巷道的快速掘进，采用多电机驱动方式。连续采煤机主要由截割部、装运煤部和行走部以及液压系统、电气系统等组成。履带式交流变频驱动，是短壁工作面重要的生产设备。

1.2 梭车

梭车是煤矿井下连续采煤机进行房拄式采煤与巷道掘进常用的配套设备之一，是煤矿井下一种转运设备。梭车主要由受料部、刮板运输部、行走部、卷缆部等组成，通过卷缆装置伸缩拖曳约200 m电缆穿梭与连采机和破碎机，实现短距快速运输。其行走方式为无轨胶轮交流变频驱动。作为短壁机械化开采的重要设备之一，其主要功能是将连续采煤机的煤转运到给料破碎机上。

1.3 给料破碎机

给料破碎机是煤矿井下一种运输破碎设备，主要由受料部、刮板运输部、破碎部以及液压系统、电控系统等组成。通过破碎滚筒将大块煤破碎成小块煤，实现破碎及转运功能。

1.4 带式输送机

带式输送机是一种煤炭转动设备，主要由皮带、电滚筒及电气控制系统组成，在煤炭采掘、生产、井下转运、洗煤过程中广泛使用。带式输送机具有结构简单、承载能力强、工作平稳可靠，对物料适应性强、输送能力较大、运输距离长等特点[3]。

2 系统结构

系统结构分为单机电控系统和网络通信信息传输系统。煤矿井下短壁工作面区域自动化系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

2.1 电控系统

连续采煤机、梭车、给料破碎机、带式运输机等设备电控系统主要由主控制箱、显示器、操作箱、远程I/O箱、电机、无线应用节点(application point,AP)基站、无线测距传感器等组成。

主控制箱是控制系统核心，内部装有主CUP控制器、I/O模块、断路器、接触器、电流传感器、综合保护器、信号转换调理模块及通信模块。通过控制器采集各类传感器信号及I/O口状态，驱动整体各执行单元协调工作，确保设备正常运行。

显示器用于实时显示连采机运行参数及故障信息。操作人员通过友好的人机界面，可全面掌控设备状态。

操作箱是设备控制指令接受传输单元，内部装有支持CANopen总线协议开关量采集模块，将操作按键控制指令通过CANopen总线传输到主控箱CUP控制器。

远程I/O箱装有EPEC控制，支持22路脉宽调制(pulse width moducation,PWM)输出。通过CANopen总线接收主控箱发出的控制指令，负责驱动液压系统比例电磁阀工作。

连采无线基站与破碎机无线基站通过无线分布式系统(wireless distribution system,WDS)使无线AP之间通过无线信号进行桥接中继，在这同时并不影响其无线AP覆盖的功能。

无线测距传感器用于检测梭车和连采机以及梭车和破碎机之间的距离，实现梭车和皮带机控制系统间的协同控制[4]。

2.2 通信系统

CANopen是一种架构在控制局域网路(controller area network,CAN)上的高层通信协协议，广泛应用于现代工业的各个领域。与一般的通信总线相比，CAN协议废除了总线节点地址编码，对通信数据进行编码。总线上节点根据总线访问优先权，采用逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据，总线上所有节点可以同时接收到相同的数据，而类似RS-485只能构成主从结构，节点间通信只能通过主站轮询的方式，系统的实时性、可靠性较差。此外，CANopen数据采用短帧传输，每一帧的有效字节数为8个，数据传输时间短。受干扰的概率低，重新发送的时间短，而节点在发生错误时可自动关闭，不影响总线上其他节点正常工作。CAN总线数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，支持分布式控制或实时控制的串行通信网络[5]。

本文构建的控制系统单元采用模块化、分布式设计。基于CANopen通信网络主从总线型拓扑结构，各采掘设备电控系统主控制器作为主站，显示器、操作箱、远程I/O箱具有CANopen接口的单元作为从站。主站通过监控和采集各个从站信息，以完成相应的功能。每种设备主控制器主站地址设置为1，从站地址分别设置为2～n，CANopen节点之间最远距离不超过20 m；所有设备波特率全部设置为250 kbit/s，总线两端加终端电阻120 Ω，以减少回波反射。

无线测距传感器应用(chirp spread spectrum,CSS)调制技术和对称双面双向测距(symmetrical double-sided two way ranging, SDS-TWR)算法，是线性调频扩频技术。SDS-TWR基于TWR的思想，根据数据包在两个节点之间进行双向传输时间来计算得到两个节点之间的距离。这种方式不需要两个节点的时钟进行同步，降低了系统对硬件时钟的要求，能够避免因时钟不同步而引起的误差[6]。

WiFi技术是一种无线局域网传输技术，涉及到人们生活的各个角落，具有成本低、终端便携、便于组网等特点。近年来，随着煤矿井下信息化网络的建设得到了飞速发展，组网系统主要包括无线站点、AP节点及网络服务器，站点和节点问可以实现级联连接或组建局域网。WiFi无线通信系统的硬件主要包括无线基站与采集终端设备两部分[7]。

采掘设备运行状态及数据还可以通过WiFi无线局域网技术接入井下环网，数据传输基于ModbusTCP协议，采掘设备主控制器作为Server，地面监控中心工控机作为Client。

将连采机、破碎机主控制器通过RJ45网络端口接入WiFi无线局域网的无线基站。无线基站通过光纤接入煤矿井下的光纤环网，从而建立数据上传路径。在采掘设备主控制器中，通过编程实现ModbusTCP服务器功能。在监控中心上位机安装ModbusTCP客户端软件，从而实现工作采掘设备与地面监控中心的数据双向传输。

ModbusTCP数据网络如图2所示。

图2 ModbusTCP数据网络

3 软件设计

单机程序流程如图3所示。

图3 单机程序流程图

控制系统上电主控制器检测电流、温度、压力、油位等传感器数值和CANopen从站状态。根据自检判断整机的状态，并在显示器上显示结果。如系统正常，操作人员可通过操作箱按钮进行操作，设备进行相应动作。

4 自动化协同控制

短壁工作面设备间的区域自动化协同控制在连采机、梭车、给料破碎机、带式运输机各实现单机自动化基础上构建有线、无线混合通信网络，实现了设备间生产过程信息获取、信息共享、移动设备距离检测识别。通过信息智能处理与决策，促进了安全生产全程的关联融合[8-10]。

4.1 连采机与梭车间的自动化控制

连采机截割过程中梭车行驶到连采机后面，连采机无线基站与梭车无线终端构成无线局域网。连采机运输控制授权给梭车。梭车做好接煤准备后，向连采机发出指令。连采机接收到指令后发出警示“连采机运输电机准备启动”，而后启动运输系统。当梭车装满煤后发出连采机停止运输，连采机自动关闭运输。通过连采机和梭车间的自动化控制，减轻了连采机司机的劳动强度，使其在割煤过程中不必关注运输装车过程，从而提高了生产效率及巷道质量。

4.2 梭车与破碎机间的自动化控制

梭车装满煤后驶向破碎机，通过梭车和破碎机间的测距传感器，检测两台设备间距离。根据实测，破碎机发出警示“连采机运输电机准备启动”。此时，破碎机无线基站与梭画无线终端构成无线局域网，以确保区域内梭车、破碎机、皮带间的信息共享。如果皮带机、破碎机运转正常，则梭车可以卸煤；否则，禁止梭车运输启动，梭车司机可通过显示器看到具体故障信息，避免堆煤。通过梭车和破碎机间的自动化上煤实施，不必再为破碎机配备操作人员。

5 结束语

本系统在短壁工作面多台单机设备电气控制系统设计的基础上，通过无线测距传感器运用及无线网络局域网络的构建，提高了短壁工作的自动化水平，实现了连采机与梭车、梭车与破碎机之间区域自动化控制，并达到了减人增效的目的，有利于促进煤矿井下的安全生产。实际应用表明，本系统在一定程度上解决了利用有线难以实现的短壁工作面多设备自动协同控制的问题，可靠性、安全性、工作效率得到极大提高。