综采工作面信息化集控系统在平朔矿区的应用

孙 健

（中煤平朔集团 设备管理租赁中心，山西 朔州 036006）

煤矿综采工作面是煤矿生产的最前沿，也是最复杂的采煤终端环节。机械化采煤是规模化生产的基础，信息智能化采煤则是大型机械化生产的核心。由于设备数量多，设备之间相互依赖，相互制约形成串联运行的生产系统，开机率已成为煤矿规模化生产的唯一指标。煤矿综合机械化采煤的自动化程度对信息化技术的依赖性逐步提升，工业化与信息化的融合已成为煤矿机械化采煤发展的必然趋势[1]。

1 信息系统总体构架

综采设备单台的自动化运行依托现场总线即可完成，但多台设备协同运行实现远程智能控制对通信的实时性、数据吞吐量、通信速率、可靠性等要求很高，单靠现场总线控制已无法满足综采多台设备智能联动的通信要求，高速以太网络接入现场总线控制才能解决煤矿信息化数据传输的瓶颈问题[2]。

1.1 系统网络结构

综采工作面信息化集成控制系统通过设备层、控制层和信息层3 层网络架实现自动化控制的基础构架。网络结构示意图如图1。

图1 网络结构示意图

1）信息层。以传输数据为主要功能，利用Web信息数据把综采工作面设备运行状态的监测数据及历史数据发布到单位局域网内，通过各个终端设备及时了解现场设备的运行状态等相关信息，便于对生产现场进行分析判断并进行下一步的生产管理。

2）控制层。控制层主要功能为通过采集并显示现场设备的运行信息，并对设备进行相应的控制。控制层由两台互为备用的矿用计算机组成，与现场生产设备的通讯连接采用Modbus 通讯协议，与其他自动化系统通过TCP/IP 协议相连。通过控制层设备的计算机可以根据现场设备的位置信息、运行参数等对设备进行部分启停控制。

3）设备层。现场生产设备以现场总线控制系统为主，设备的智能控制以现场总线为基础，各设备与主计算机之间通过Modbus 通讯协议连接，形成以通讯数据监测为主要功能，实现部分设备远程启停为辅助功能的现场总线监控系统。

1.2 基本流程

集成控制系统监测主站中的Modbus Slave 站通过软件模拟实现，通过Modbus 通讯协议按照不同的Slave 站的级别轮巡检测各子系统的Modbus Slave站及时更新的数据缓冲区，并通过组态图形表示采集到的各个设备的运行数据。

2 综采工作面信息化集成控制系统升级改造

综采工作面信息化集成控制系统改造是在综合机械化采煤工艺的基础需求上实现减人增效的安全生产。通过机械化采煤工艺，利用自动化、传感、通讯，图像处理等一些列技术实现信息化和工业化的融合提升的传感网，实现对综采设备的监控、判断分析及一定程度的电气和通讯控制功能，在综采工作面机械化设备的基础上实现减人增效[3-7]。综采工作面电气负荷系统如图2。

图2 综采工作面电气负荷系统图

2.1 采煤机控制系统升级完善

采煤机通过冗余动力线调制解调器和光缆进行数据传输。采煤机拖曳电缆和动力线耦合器连接。耦合器滤出高压信号，收集采煤机的高压频谱信号，带有采煤机信息的信号传输到增益可调的电气隔离模块。通过隔离模块把信号传输到动力线调制调节器，然后解调扩展频谱信号并将其转换为电流环串行数据流信号。电流环信号转换成RS232 后传送到多模光纤转换器，在进行远距离传输后再转换为电流环信号进入采煤机远程控制器。采煤机远程控制器和控制台的数据传输采用TCP/IP 协议进行数据通讯。

现有的艾柯夫SL750 采煤机只能实现就地跟机遥控，为满足集控系统要求，需要改造现有采煤机，增加实现从进风巷监控采煤机自动运行所需的整套改造件、4 个摄像头和1 个远程控制台。通过轴编码器和液压支架红外接受器实现采煤机位置定位。

2.2 支架电液控系统完善

现有的支架全部配备电液控制器，需要将现有的控制器进行维修完善，确保电液控主机、支架电液控制器、立柱压力传感器、推移行程传感器及采煤机定位红外对射器完好。采煤机在运行割煤的过程中即能实现支架和采煤机最基本的跟机联动功能，也能实现液压支架的远程操作和参数修改，同时还确保采煤机不与支架的护帮板、侧护板等保护机构发生碰撞，实现采煤机与液压支架的联动和互动作业。

2.3 工作面三机保护系统完善

控制台主机与工作面三机负荷设备通过Modbus 方式进行通信实现刮板运输机、转载机、破碎机的联合运转；同时通过实现动态监测三机设备的电动机和减速器的运行参数，根据运行参数实现报警保护和停机保护，在刮板运输机和转载机驱动方式上采用变频驱动方式，既减少了传统配置的组合开关数量，又能发挥变频驱动的特点，减少三机的重载开机瞬间的较大冲击力和运行期间因矸石卡堵造成的机械磨损。综采操作控制台通过RS485 通讯读取变频器的动态参数信息，实现瞬时观测三机和采煤机的电流、电压等运行参数，根据电流参数可以动态调整刮板运输机的运输速度，实现工作面三机根据电流参数可调整运输机速度的完善保护。

2.4 视频-供电-通信系统完善

在原综采工作面视频监控的基础上，采煤机左右摇臂处增加1 套监控系统，对工作面和采煤机实行实时监控，通过采集的视频图像进行智能实时拼接，实现综采工作面视频全覆盖。

主控制器与各类电气负荷开关通过集中控制，实现电气系统电压、电流、绝缘阻值、温度、运行时间等实时数据的动态监测。

综采工作面各类生产及辅助设备的数据通过井下数据交换主机将数据传输至井下工业环网内，再通过矿井环网上传到地面调度室内集中显示，显示画面与井下集控中心一致，同时能够根据现场条件启动地面远程控制功能，控制功能需在安全前提下进行。另能够在地面对井下设备以及集成控制系统进行软件升级和参数设置，通过地面系统向井下系统发布参数命令，井下顺槽集控系统记录后并存储，之后的生产过程将使用新的软件参数运行。

3 技术难题和发展方向及应用前景

3.1 技术难题

1）缺乏统一的通信平台。煤矿高速以太环网已成熟并普及应用，设备运行的参数信息如何分析处理并做下一步的预判却停留在宏观层面，没有针对的分析处理功能，而环网的带宽大多被视频信息等数据量大的数据占用，对设备的智能化运行并没有指导作用。在通讯信息和现场总线数据之间还做不到无缝对接。各系统间的相互协调仍需提高[7-8]。综采工作面信息化集成控制系统通过信息化的带动实现了信息化和工业化的初步融合，“两化融合”后的数据处理技术对综采生产工艺的优化提升目前还处于探索阶段。

2）综采生产的过程控制还不能实现智能化生产，只能做到部分设备的简单启停功能。还不能实现综采工作面自动找直、存在上窜下滑、运输机与转载机的搭接分离等需要解决的问题[9]。

3.2 技术发展方向

综采工作面信息化与集成是综采工作面实现机械化采煤的一个全面的总结，采煤的发展将向智能化走近，通信技术和现场总线控制技术的结合是采煤智能化的趋势，采煤关键技术的突破、新技术的应用将为综采工作面的智能化提供相应的解决方案。

1）综采工作面设备之间应有统一标准的通信协议，研究动态适时跟踪的综合视频平台及相应的图形处理技术，把生产运行状态的动态设备运行状况作为研究对象，对综采工作面信息化集成系统采集的设备参数信息进行处理分析判断，提供远程动态控制的执行依据。

2）围绕开采工艺流程及生产过程建立动态生产模型，通过生产过程动态数据管理和分析实现智能割煤过程的三维定位和动态实时监控，实现综采工作面的直线度控制和水平控制。

3.3 应用前景

随着煤机装备的迅速发展，机械化采煤的信息化程度逐步提高，综采工作面信息化集成与控制系统的推广应用能够改善采掘工作面恶劣环境，解决井下用工多，劳动强度大，工作效率低，能源浪费严重、资源回采率低，浪费大，以及安全隐患多等问题。综采工作面信息化集控系统指通过主机设备进行显示和控制通过实时传输设备运行状态数据的综采工作面生产设备和其他辅助设备的运行状态。通过信息化及工业化的融合应用，实现由信息化带动工业化并向综采工作面智能化发展提供基础参考。

5 结语

综采工作面信息化集控系统是利用信息技术的网络基础及时准确地反馈问题，对信息化和工业化的深度融合奠定了底层信息基础，为综采工作面少人化开采提供了最基础可靠的参考，综采工作面智能化开采技术在实际应用中产物，是保障工作面安全开采的有效途径。综采工作面集控是世界前沿的新兴技术，该技术具备的可靠性、先进性、稳定性、实用性逐步使综采设备实现快速、准确的配合充分发挥智能设备的性能。