智慧综采工作面回采设备控制系统研究

摘要：介绍了智慧综采工作面回采设备控制系统的功能，阐述了该控制系统的结构及配置情况，分析了三机控制流程、供液系统控制流程及采煤机割煤控制流程，为其他矿井的智慧综采工作面建设提供了参考。

关键词：智慧综采工作面;回采设备;控制系统;采煤机

0 引言

传统的综采设备控制主要采用人工手动控制方式，存在效率低、作业人员多等问题，为此众多煤炭企业开始应用智慧综采工作面。智慧综采工作面不仅可以提升煤炭开采效率，而且可以降低作业人员劳动强度，减少人员数量，保障煤炭的安全开采。然而，智慧综采工作面在应用过程中仍存在诸多问题，本文主要针对综采设备的智能化控制进行研究。

1 控制系统功能

智慧综采工作面回采设备控制系统包括集中控制中心、各子控制设备，主要功能是实现采煤机记忆割煤、液压支架跟机运行以及对运输设备和乳化液泵站等的集中监控。

1.1    井下集中控制

在回采巷道内布置的集中控制中心（以下简称集控中心）是智慧综采工作面回采设备控制系统的核心，由集控操作台、数据处理主机、日志主机及视频主机等构成，其中数据处理主机用于采集、处理供电系统、乳化液泵站、采煤机、支架等的运行数据。集控中心对回采设备进行远程监测。

1.2    采煤机远程控制

采煤机控制子系统包括无线Wi-Fi通信系统、采煤机、惯导系统、电控系统等，帮助实现采煤机记忆割煤，采煤机运移位置根据布置在液压支架上的红外传感器、D型齿轮传感器进行定位、校正，通过惯导系统监测采煤机行走路径。

1.3    电液控制

电液控制系统实现对液压自动降架、移架以及升级控制，同时实现成组推移刮板输送机、伸缩护帮板、自动喷雾降尘等，并监控支架立柱压力、千斤顶行程、采煤机行走路径、方向等，并在电液控制系统控制主机上显示相关参数，控制结果同步传输至地面监控中心。

1.4    电力控制

电力控制系统由三机（转载机、刮板输送机、破碎机）及带式输送机供电控制系统、组合开关以及控制器等构成，可对1 140 V、3 300 V供电回路进行远程分合闸，具备故障报警及状态监测等功能，并对供电回路中的电流、电压、功率以及故障保护系统中的短路、断相、漏电等情况进行监测。

1.5    视频监控

远程视频监控系统由回采巷道、采面内的视频监测设备构成，实现对采煤机、破碎机、转载机以及巷道进行监测。在组合开关、乳化液泵站等位置均布置有摄像机进行固定监视，在液压支架上布置的摄像机采用跟机自动切换模式，通过采集采煤机位置信息，自动打开对应的支架摄像机，使远程操控司机能掌握采煤机运行状态。

1.6    供液控制

综采工作面供液系统由地面/井下乳化液供液系统、过滤站、乳化液箱以及相应的流量/温度/压力传感器等构成。高压冲洗过滤站、回液过滤站对乳化液进行清洁、过滤，同时高压冲洗过滤站可实现自动化控制，当乳化液压力不足或者滤芯严重堵塞时，乳化液泵站自动停泵报警，供液系统可实现对乳化液温度、流量以及乳化液箱液位等的实时监测，从而确保整个供液系统能平稳运行。

2 控制系统结构及配置

智慧综采工作面回采设备控制系统构成如图1所示。

2.1    集控系统

集控中心包含有6个客户终端，其中有3个视频终端、3个数据终端。视频终端用于对采煤机及周边、转载点及液压支架的视频监控;数据终端用于对支架、采煤机等数据的监测。

2.2    采煤机控制子系统

采煤机控制子系统主要设备包括继电器、S7-300 PLC控制器、供电电源及控制按钮等。I/O控制用于采煤机截割电机、液压电机、牵引电机的启停等控制;保护监测主要是对供电系统电压、截割电机电流、牵引泵电流、变频器电流、电压等的监测;控制监测主要是对采煤机位置、割煤高度、摇臂倾角、变频器转距等的监测。采用惯导系统监测采煤机移动位置。采面每隔8～10架液压支架安装1台Wi-Fi通信模块，模块间采用有线连接方式，从而解决无线Wi-Fi的切换、覆盖问题，最后采用无线网络将采煤机、液压支架等的数据传输至巷道集控中心内。

2.3    电液控制系统

电液控制系统核心为ZDYZ-ZA控制器，通过连接电磁阀控制液压支架各液压油缸的伸缩量;电液控制系统与各监测传感器（压力、位移以及红外接收器等）相连，掌握液压支架各个部位姿态信息。压力传感器采集立柱支承压力，在支架升、降，补充乳化液时提供压力监测信号;位移传感器监测支架推移量;红外传感器实现对采煤机的精准定位。

2.4    电力控制系统

电力控制系统控制器为S7-1200 PLC，采用CM1241通信模块与1 140 V、3 300 V组合开关通信，从而控制采面三机（转载机、刮板输送机、破碎机），实现对运输巷内等位置带式输送机的运行状态监测及远程控制。

2.5    视频监控系统

每隔1台支架安装1个正对煤壁的摄像机，每隔6台支架安装1个竖向摄像机，从而对采面内设备运行情况进行全方位监控。集控中心可显示3个视频画面，具体为带式输送机运行画面、采面横向视频画面以及采煤机位置视频画面。采面、回采巷道视频监测信息通过工业以太网与综合接入器连接进行传输。

2.6    供液控制系统

供液控制系统控制器为S7-1200 PLC，用CM1241模块接入综合接入器，通过RS485与核心交换机连接。各类传感器监测乳化液箱液位、供液系统压力及流量，监测结果通过输入隔离模块处理后传输至S7-1200 PLC控制器，控制器指令通过继电器输出模块控制各类阀组的启闭。供液系统构成如图2所示。

3 控制程序

3.1    三机控制流程

控制系统采用的三机控制程序流程如图3所示，该程序可以对三机负载按照预定逻辑进行启停控制，实现故障信息采集及预警等。设备的逻辑控制是整个三机控制程序的主要内容，具体可细分为设备集中控制、单独控制以及点动控制3种类型，集中控制即通过集控中心启、停按钮实现对三机的集中启动、停止;单独控制即单台设备独立控制，每台设备有一个对应的启、停按钮;点动控制即按钮按下时设备运行，按钮放开时设备停机，一般用于设备检修，启动、停机时间间隔短。

3.2    供液系统控制流程

供液系统中采用单泵控制方式控制乳化液泵运行，即对乳化液泵进行一键启停控制。系统初始运行时，先检测乳化液箱内液位、浓度、压力，检测值在符合系统启动要求时，即可在集控中心的客户端上开启循环泵。

3.3    采煤机割煤控制流程

远程控制的采煤机割煤控制流程如图4所示，整个控制过程分为人工学习、自动割煤以及远程干预等环节。

采煤机自动割煤过程中，采用摄像头监测采煤机割煤高度、煤层变化情况，根据现场情况干预采煤机割煤。若需要改变采煤机跟踪曲线，则在集控中心进行远程干预，采煤机按照重新覆盖的跟踪曲线运行。

4 结语

智慧综采工作面回采设备控制系统综合了传感器、计算机、故障诊断以及自动控制等技术，可以实现对回采设备的智能化控制。矿井1208综采工作面采用智慧综采工作面回采设备控制系统后，作业人員在回采巷道的安全位置即可实现对采煤机、液压支架、刮板输送机等回采设备的远程、智能控制，实现了综采工作面的远程、无人化开采，显著减少了采面工作人员数量，提高了企业经济效益。

收稿日期：2020-07-14

作者简介：丘庆林（1992—），男，福建武平人，助理工程师，技术员，从事智慧矿山建设工作。