综采工作面综合智能控制系统的研究

贾辉敏

（大同煤矿集团挖金湾虎龙沟煤业有限公司， 山西 大同 038600）

引言

煤炭生产过程中，采煤机实施的破煤、落煤与装煤和液压支架推溜动作都会增加刮板输送机的承载负荷。同时液压支架的移架速度会对采煤机截割速度产生限制，泵站的供液能力又对液压支架的推移速度产生影响，因此，综采工作面单机设备在发挥着各自功能的同时又相互关联、相互影响和相互依存，因此必须使回采工作面单机设备相互匹配、协调作业才能实现回采工作面的安全，高效、智能生产。

1 综合智能自动控制系统的组成及其工作原理

1.1 组成

SAM型综采工作面综合智能控制系统是由传输、数据集中存储处理、远性遥控及视频监视等部件组成。综采工作面综合智能控制系统是由综合接入器、网络交换机、路由器、隔爆计算机、远程操作台，云台摄像仪等组成。工作面的“大三机”通过破煤、落煤、装煤和运煤等工序完成工作面的产煤过程。在工作面煤炭生产过程中，“大三机”受生产设备、采煤工艺、地质条件等环境因素的影响，同时在生产过程中也作用于各种环境因素，改变着生产环境条件，如割煤过程中会增加瓦斯浓度等。

1.2 工作原理

SAM型综采工作面综合智能控制系统工作原理系统是由综合接入器将综采工作面单机设备信号通过高速以太网传送到上顺槽的监控中心的隔爆计算机上进行数据的汇集，通过生产流程、采煤工艺、设备功能性能将单机设备关联起来，构建智能控制模型使综采工作面控制系统具备学习的能力，能够实现工作面设备与设备、设务与环境、设备与采煤工艺的有机融合，实现工作面设备的综合皆能控制。

2 SAM型综采工作面综合智能控制系统关键技术

2.1 以煤流负荷、空间和环境参数为主线的智能控制

依据刮板输送机电流负荷数、自动调节采煤机割煤速度，实现采煤机割煤装煤和液压支架推溜装煤与运输系统能力参数相匹配与自适应控制，实现以煤流负荷参数为主线的智能控制。在液压支架护帮板上安装接近传感器，以判定液压支架护帮板是否收回，以保证工作面设备在空间场中不会发生干涉现象，实现以空间参数为主线的智能控制。在工作面生产过程中，粉尘、瓦斯、矿压等影响工作面生产安全的因素在不断发生着变化。为了工作面安全生产，工作面生产过程中必须依据这些环境因素的变化来进行设备的控制。通过对工作面瓦期、粉尘、通风、顶板压力、采煤速度等多维度的综合分析，建立以瓦斯、矿压为控制主线的模糊控制模型，实现以安全、高效产煤为主要目标的最佳决策控制[1-2]。

2.2 以工作姿态为主线的智能控制

为使工作面生产过程中保证工作面的直线度，通过在液压支架上安装找直传感器，可以实现工作面液压支架的实时自动找直，也可以使用在采煤机上安装陀螺仪，自动描绘出采煤机的运行轨迹，或是通过工作面上加装的摄像仪，在液压支架或刮板输送机上设定标识，通过视频图像识别的方式进行工作面姿态智能控制。

2.2.1 精细化控制

由于液压系统采用大流量阀控制，以及电磁阀的滞时因素，电液换向阀动作延时缓冲瓣时间长，导致液压支架的控制精度下降，这主要体现在液压支架在推移过程中，液压支架与刮板输送机之间销耳间隙对工作面直线度产生一定的影响，同时在工作面进行调直时容易产生过冲。在进行移架、推溜，工作面找直调整时采用节流方式降低推移动作速度，以便精确地控制单位时间内推移动作的行程，建立高效快速准确的液压支架控制伺服系统，实现工作面找直的精细化控制。

2.2.2 直线度控制

在液支架移架过程中会由于上串下滑，支架歪斜，行程传感器误差累计等原因造成连续多刀割煤后工作面支架不齐，不能够满足工作面“三直两可”的要求。实现工作面的直线度控制有实时在线控制和离线控制两种方式，其中实时在线调直方式可以采用找直传感器，通过横向测距，以完成支架移架动作后的支架为定位目标，实现液压支架的实时在线对位找直。这种方法实时性好，不会有误差累计的问题。离线的方式是描绘出直线度偏移情况，在事后进行调直补偿的方式，可以通过在采煤机上安装惯件导航系统，将采煤机割煤过程中的运行轨迹描绘出来，也就是将工作面刮板运行姿态进行描绘，然后通过液压支架进行定量补差控制，从而实现工作面直线度面控制。

2.3 设备自适应控制

综采工作面设备能力的发挥在很大程度上受运行环境条件的限制。为此，综合智能控系流将依据不同的环境条件，根据相关设备的历史数据分析，增加自学习能力，液压支力下降等条件下仍然能够使液压支架推移控制质量达标，从而实现液压支架自适应智能控制。根据在同等条件（包括采煤机速度，泵站供液压力，顶底板条件）下完成液压支架推移速度，判断当前的自动跟机移架、推溜质量是否达标，如果发生偏移将自动化修改参数，直到调整的参数能够满足要求。

2.4 视频智能监视

2.4.1 工作面视频系统控制

1）视频功能。当液压支架实现采煤机跟机自动化控动能时，受到工作面顶底板条件等周围复杂环境因素的制约，需要进行单个液压支架的调整。因此，必须有液上支架移过中完整的视频信息，才能实现无人化工作面液压支架的远程控制。

2）数字网络高清视频系统。数字高清视频系统，即基于以太网的压缩高清视频应用网络传输结合摄像仪的IP地址的视频系统。

2.4.2 视频系统智能化功能

1）摄像仪智能清洗。通过图像识别模型智能识别视频摄像仪污染度，当摄像仪镜头被污染时，自动进行清洗。

2）目标智能追踪。可以依据采煤机位置、移动中的液压支架位置，自动调节云台摄像仪角度，实现采煤机视频追踪和监视。

3）视频全景拼接。通过采煤机视频信号可得到具有重合区城的视频关键帧，可采用视频全景拼接技术得到采煤机的全景图像和视频。一般通过4个正像摄像头图像拼接出完整的采煤机，摄像头之间视野画面内具备重叠区域，当采煤机在运动时，从四个摄像头中同时得到四个视频画面，根据四个视频画面中的叠区域进行两两图像拼接（即摄像头1画面和摄像头2画面拼接，摄像头2画面和摄像头3画面进行拼接，像头3画面和摄像头4画面进行拼接，最后统一坐标变换，将得到的3个子拼接结果图融合成最终的一个全景图），从而得到采煤机的全景图像并实时显示。

2.5 自动控制与人工干预相结合的智能控制

1）数据通信。综合接入器为综采工作面有线，无线通信信号接入传输装置，可以通过综合接入器将不同设备、不同接口的数据通过以太网高速传输链路传送到上顺槽监控中心进行集中处理。

2）工作面三维虚拟现实。通过构建综采工作面和场景的二维模型进行渲染形成三维动画。通过综采工作面设备运行数据支撑三维模型的运动，可以通过不同的视角观察工作面设备的运行状态，观察设备之同的相互空间位置关系。

3）远程集控与一键启停智能控制。综采自动化系统受到工作面自然地质环境的影响，建立模型引入三维地理信息系统，精确描绘当前的三维采场空间，当工作面开采和推进时，能够实时更新三维空间数据；采用高精度三维导航技术，实时测量采煤机在三维采场空间模型的姿态和位置，按照记忆截割事先设定的动作参数，实现采煤机闭环运动和精准割煤；研发了安全感知、摇臂调高、俯仰采和调伪斜等产品技术。为解决当采场地质环境发生较大变化时，现有传感控制精度不能满足自动化要求的问题，创新性地引入了人机协同规避工作面坏境和围岩的非线性扰动，可远程进行人工实时干预进行辅助决策。

3 实施效果

大同煤矿集团挖金湾虎龙沟煤业15205示范工作面于2017年8—10月安装了综采设备及SAM型采工作面综合智能控制系统，2017年11月工作面正式投产，完成了工作面设备安装，于2018年2月进行了系统调试，2018年3月正式示范应用。从实践应用情况来看，以上新技术的应用及各先进系统的合理衔接，在实际生产过程中获得了较好的应用效果。挖金湾虎龙沟煤业公司15205大采高工作面通过传统方式开采每班需要11人，通过SAM型采工作面综合智能控制系统的实施，工作面只需5人，开采作业人员减少了60%，生产效率得到了极大的提高。