掘进工作面智能配套装备升级改造

王晋强

（晋能控股煤业集团沁秀公司岳城煤矿，山西 晋城 048006）

随着工业装备智能化、集约化的快速发展，两化融合已经开始向矿山一线延伸，通过智能化升级提升矿井安全技术水平势在必行。综掘工作面作为煤矿安全事故最集中区域，更是智能化改造的重中之重。以岳城矿为例，该矿掘进工作面出煤、风机等系统均需安排岗位司机单人盯岗手动操作，每班岗位司机至少4 人，极大地制约了人工效率，加大了设备运行和人工操作失误的风险[1]。因此有必要研究一种具有集中通讯、控制功能的智能化操作系统，实现工作面所有设备运行的集约化操作和智能化操控，对确保煤矿生产安全、提高生产效益具有非常重要的现实意义。

1 现场概况

岳城煤矿现同时布置4 个综掘工作面，掘进机、运输皮带、转载机、局扇风机、配电开关等设备均需配备岗位司机协同完成，4 个头面每班需配置近16 人专门负责设备操作运行。同时还存在如下问题：（1）掘进工作面带式输送机控制系统可靠性差，沿线急停装置出现故障等无法精确定位显示，且急停故障率高，无法与工作面和调度室实时联系；（2）掘进工作面出煤系统设备多是单人单岗手动操作，且启停步骤繁琐，需要逐级联系启动，操作效率低下；（3）局扇系统缺乏远程控制功能及数据记录、运行历史查询功能，故障后无法快速有效恢复。因此非常有必要对现场设备系统进行智能化升级改造，提高安全生产效率。

2 改造方案

构建井下综掘工作面智能化集控系统，通过井下防爆电脑和地面集控平台实时监测综掘工作面运输皮带、转载机、局扇风机、配电开关等相关设备的运行工况参数和状态，实现相关设备的远程开停、集中控制和故障报警功能。其系统架构如图1。

图1 掘进工作面集控系统结构图

由图1 可知，掘进工作面集控系统按照设备管控架构分为管理层、传输层和设备层。其中管理层是以皮带集控上位机和解码器为核心，通过显示器实时监控所有设备运行状态及参数，管理、存储、更新以及共享数据库资源，并将数据上传至地面监控中心；传输层由千兆环网、控制电缆、光纤组成，作为数据传输的桥梁实现带式输送机主控制器与带式输送机开关互联，实现防爆计算机与局扇风机及供配电系统开关互联，最终实现数据上传及控制命令下达。控制层是通过防爆计算机对现场各类开关控制器、传感器进行设备控制、信号传输和实时报警，达到远程集控的目的。

3 系统配置

本次针对掘进工作面运输系统（按4 部运输皮带，每部按1000 m 考虑）、局扇风机系统、供配电系统（皮带开关、局扇开关、水泵开关、移变高低压头开关）等相关设备进行智能化改造，达到远程集控、实时监测和智能运行的要求。

3.1 皮带集控子系统

皮带保护控制系统一方面将系统本身检测到的所有数据上传至井下监控中心，另一方面接收地面监控中心下发的启停指令。其系统架构如图2。

由图2 可知，在掘进巷道口放置一台KTC190型控制器，此控制器出2 条AST 线，连接所有四部皮带；AST1 线通过七芯电缆连接一部机头接口箱，经扩音电话、急停、七芯电缆连接一部机尾智能电话，再通过七芯电缆连接二部机头接口箱，经扩音电话、急停、七芯电缆连接二部机尾智能电话，最后以智能终端结束，AST1 线控制一部、二部启停以及各皮带保护；AST2 线通过七芯电缆连接溜子机头接口箱，再通过七芯电缆连接三部机头接口箱，经扩音电话、急停、七芯电缆连接三部机尾智能电话，再通过七芯电缆连接四部机头接口箱，经扩音电话、急停、七芯电缆连接四部机尾智能电话，最后以智能终端结束。每个设备机头接口箱带就地启停按钮，可以单独在就地启动，沿线每隔100 m 布置一台带拉线功能的急停开关，每隔200 m 布置一台带拉线急停功能的组合扩音电话，每条带式输送机尾布置一台可以接防跑偏和防撕带保护的智能电话。

图2 皮带集控结构配置图

3.2 局扇风机控制系统

局扇风机系统包括远程监控站、井下监控中心、通讯采集分站、语音通话等系统组成，其基本架构如图3。

图3 局扇风机集控系统结构图

3.2.1 地面远程监控站

地面监控站由远程监控计算机、组态监控软件、网络交换机、打印机、UPS 电源和监控台等组成，监控计算机双机冗余设计，分别安装监控组态软件和视频监控软件，可互为切换和相互备用[2]。

3.2.2 井下监控中心

井下监控中心由矿用隔爆型计算机、电源箱、采集传输装置、传感器组成。系统配置矿用锂离子蓄电池电源，维持时间不少于4 h，可清晰显示各路监控点图像，可以循环显示和多路显示，配置网络硬盘录像机就地储存视频。

3.2.3 矿用本安通讯分站

矿用本安通讯分站是基于高性能、低功耗的STM32STM32 系列嵌入式计算机设计开发，提供光纤接口2 路，以太网接口8 路，RS485 接口2 路，数字量输入（DI）接口12 路，数字量输出（DO）接口16 路及液晶屏人机界面[3]。

3.2.4 井上井下语音通话

井上下语音通话系统架构如图4。

图4 井上井下语音通话示意图

由图4 可知，皮带沿线语音设备、工作面沿线语音设备与KTK35 广播报警扩播电话连接，完成井上下语音通话，且具有拨号电话的所有功能，具有声光报警和应急广播于一体的功能，同时可与煤矿运输沿线控制保护等第三方扩音电话进行语音连接，实现地面调度与井下扩音电话的双向语音通讯功能。该系统能发出扩音振铃及红色闪光灯振铃信号，在综采、掘进工作面、胶带机等嘈杂环境，更易接听来电，可以实现扩播事故语音报警、矿难语音报警和警报频率报警，并能通过闪光灯显示快速撤离信号。

4 现场验证及结论

设备升级后，在岳城煤矿掘进巷道进行了工业性试验。试验结果表明，采用改造后的智能配套系统后，系统能够实现相关设备的远程开停、集中控制和故障报警功能，且巷道沿线急停系统故障率明显降低，工作面出煤效率明显提高，每班掘进工作量较原来提高了大约20%；能够实现皮带司机、风机管理员、配电开关人员等多岗合一，每班出勤7人即可正常生产，每班减少2 人，达到了减员提效的目的。