矿井采煤机自动化控制系统的设计与应用

王 超

（山西西山煤电股份有限公司马兰矿， 山西 古交 030205）

引言

综采工作面是矿井生产的核心，对综采工作面进行自动化控制是现代化矿井实现生产管理现代化的关键[1-2]。通过综采工作面自动化项目的实施，探索在放顶煤工作面实现放煤自动化、生产过程自动化、管理信息化的技术路线，为放顶煤工作面自动化开采积累经验。

1 总体方案的设计

综采自动化系统是将采煤机控制系统、支架电液控制系统、工作面运输控制系统、三机通信控制系统、泵站控制系统及供电系统有机结合，实现对综合机械化采煤工作面设备的协调管理与集中控制。如图1所示：系统主要由三部分组成，包括综采单机设备层（第一层）、顺槽监控中心（第二层）、地面（第三层）。

图1 综采自动化系统结构图

2 采煤机自动化控制系统的设计

所研究工作面采用的是德国艾柯夫SL500系列采煤机且不对外开放远程控制权限，综采自动化控制系统仅能实现采煤机的工况显示，而采煤机的远程控制功能完全由采煤机本身的控制系统实现[3-4]。

2.1 采煤机数据的实时传输、控制及保护

采煤机配套一台顺槽控制计算机，该计算机与采煤机控制系统之间进行通讯，获取采煤机相关信息。

采煤机在顺槽的监控系统对外提供百兆以太网通讯接口向综采自动化控制系统提供数据。通过该接口，可以方便、高效地实现采煤机与集控中心的数据传输，为矿井自动化及工作面综采自动化控制系统运行奠定基础。

通过上述配置结构，可以建立采煤机到顺槽的双向高速通讯系统，使采煤机的各种工作数据及保护数据传输到顺槽控制计算机，在顺槽控制计算上显示。并可以在采煤机机载视频系统的辅助下，通过顺槽监测计算机控制采煤机的一系列动作。顺槽控制计算机提供的对外接口也可以与综采自动化系统主机建立双向通讯，实现在综采自动化主机上对采煤机的工况监测功能。

2.2 智能控制系统

采煤机操作控制可以分为基本操作控制、远程监控、自主运行控制三种控制方式。

2.2.1 采煤机的基本操作控制

采煤机可以通过机身面板按钮、端头站、遥控器等三种方式实现对采煤机的操作控制。其中端头站和遥控器由前后滚筒处的司机操控，方便根据工作面情况及时调整采煤机运行状态，机身面板按钮由主司机操控，主要控制采煤机启动、采煤机运行状态及故障信息查询、故障复位等操作，也可以控制采煤机的行走状态。

2.2.2 采煤机的远程控制

采煤机可以通过自身的通信线将采煤机的运行状态、视频及故障等信息传输到顺槽监控主机，可在顺槽监控系统视频的辅助下实现对采煤机的远程控制。通过顺槽监控主机可将数据上传到工作面综采自动化主机上，如下页图2所示。在矿井网络建设完善的情况下，数据可以上传到地面调度室显示并且能通过采煤机控制软件在地面实现远程控制。同时，操作人员可以在顺槽监控主机处调阅并修改采煤机控制系统相关参数，减少检修时间，避免开盖送电造成的危险性。

2.2.3 采煤机的自主运行控制

采煤机自主运行控制系统有两种不同的自动化模式：记忆截割模式、随动截割模式。

1）记忆截割模式：记忆截割模式的设计是重复已存储了的采煤机的运行动作。采煤机司机为了采取修正措施，可以中断采煤机自动运行功能。采煤机由采煤机司机操作运行，相关数据被存入采煤机内的计算机存储器中。在记忆截割模式下，采煤机自动重复在示范刀截割模式下存入采煤机内计算机存储器中的所有运行动作。在记忆截割模式下采煤机自动驾驶，操作可暂时中断，以便采煤机司机修正摇臂动作。

2）随动截割模式：采煤机割煤时，工作面被开采出恒定的开采高度。采煤机的前滚筒由司机手动控制，而采煤机的后滚筒则由计算机控制。如果配备挡煤板和破碎机，则为手动控制。采煤机后滚筒目标截割高度是，采煤机机身长度减去预设定工作面开采范围之后的前滚筒正在截割的高度。如果采煤机司机将前滚筒抬高或降低，后滚筒也会根据前滚筒相应地自动抬高或降，但在时间上有一个机身长度行程的滞后。在采煤机反向行驶时，采煤机在行驶一个机身长度行程之后便可以启动。

3 采煤机自动化功能的实现

3.1 监测功能

采煤机工况显示主要包括：左右摇臂、左右牵引轴承的温度，牵引方向、速度，液压系统备压压力及泵箱内液压油的高度，冷却水流量、压力，油箱温度，左右滚筒高度，机身仰俯角度，采煤机在工作面的位置。采煤机监控系统对外提供一路以太网接口，接入到综采自动化控制系统的以太网交换机内。艾柯夫公司采用MODBUS TPC/IP通讯方式向综合自动化控制系统提供数据。

3.2 采煤机远程控制功能

本工作面采用德国艾柯夫采煤机，并且采煤机配置了顺槽监控主机，由于监控系统体积较大，故暂放置于监控中心的另一端（专为艾柯夫、JOY预留的位置），而艾柯夫提供一路以太网接口给综采自动化系统，通过MODBUS TCP协议向综采自动化系统发布采煤机数据，但艾柯夫采煤机不开放控制接口，采煤机的远程控制由采煤机自身的控制台实现，方案如图3所示。

图2 采煤机与综采自动化控制系统数据传输连接图

图3 采煤机与综合自动化系统连接图

4 采煤机自动化系统应用前景

该采煤机主要应用于放顶煤工作面。到目前为止，所有放顶煤支架放煤口都是人工操作的，从而造成放煤速度慢，放煤效果受操作人员经验的制约。在该项目中主要的技术难点在于研究煤岩识别与自动放煤等关键技术，以提高放煤的可靠性，提高生产效率，并能够在今后的放顶煤工作面进行大规模的推广。

通过实施，可达到以下三点效果：一是将工人从操作工变成巡检工，由设备自动化替代人工劳动，大大降低了工人的劳动强度；二是将工人从危险的工作面采场解放到相对安全的顺槽监控中心，在监控中心对设备进行远程操控，提高了工人的安全系数。三是通过放煤自动化功能的实现，提高生产效率、降低工人劳动强度，为放顶煤工作面自动化开采积累经验。该项目的顺利实施将对采煤业有着较大的影响。

5 结语

采煤机自动化技术打破了以成套单机装备为主、总体协调思路，建立了以成套装备总控制网络信息综合决策为主、单机装备为执行机构的体系结构。采用最新自主研发的煤岩识别传感器进行煤岩的监测，采用接入支架电液控制的方式，达到控制自动放煤的效果。采用记忆的方式将工人放煤的规律进行记录，在同一地质条件下达到自动放煤的效果。