综采工作面智能化系统改进技术研究

李彦辉

(辽宁能源煤电产业股份有限公司，辽宁 沈阳 110014)

随着我国煤炭工业装备研发和制造水平的提升，形成了不少以支架电液控技术、采煤机自主定位与记忆截割技术为核心的智能综采装备体系。由于煤矿智能开采技术能够有效减少工作面的作业人数、提高工作面生产效率、改善工人作业环境、降低工人劳动强度，已在全国各大矿业集团掀起了一股智能化改造的热潮，现全国智能开采工作面已达300多个。然而，目前国内绝大部分智能开采工作面的地质条件相对简单，现有智能综采系统在复杂地质条件下的适用性研究尚未运用。沈阳焦煤股份有限公司林盛煤田系晚古生代石炭—二叠系煤田，属于华北赋煤区。林盛煤矿经过40多a的开采，采场逐步向复杂条件转移，矿井瓦斯含量高、地压大、地质条件复杂，实施智能化开采缺乏现成的经验借鉴，因此矿井联合厂家进行技术攻关，为复杂地质条件下智能综采系统在系统架构、关键技术等方面的持续改进提供了建议和思路。

1 工作面概况

林盛煤矿位于辽宁省沈阳市南部，行政区划属沈阳市苏家屯区林盛堡管辖，矿井核定生产能力为110万t/a。全井田为一不对称的倾伏向斜构造，其西翼倾角较缓，一般为10～40°，东翼倾角较陡，倾角为20～75°。矿区可采煤层4层，即7-1、12-1、12-2、13号煤层。

2 智能综采系统存在的问题及原因分析

2.1 通信网络架构问题及原因分析

对通信网络架构及数据传输带宽存在的监控视频画面卡顿和传感器数据阻塞两个问题进行详细分析。

2.1.1 监控视频画面卡顿

监控视频画面卡顿主要是因为工作面视频监控带宽不能完全满足所有监控摄像头工作需要。目前的井下监控系统全部依照百兆局域网标准建设。

工作面现有摄像头： 60个；1 080 P的传输码率：4～5 Mbit/s，60个摄像头需要带宽：240～300 M；720 P的传输码率：2～3 Mbit/s，60个摄像头需要带宽：120～180 M。

可见，百兆带宽局域网已经无法完全满足顺槽集控中心通信网络要求，如果未来需求继续增加，将百兆网升级千兆网或万兆网才可以缓解网络运行压力。

2.1.2 传感器数据阻塞

传感器数据阻塞，通信网络质量下降主要是两方面的原因造成的：①采用的CAN总线的带宽所限；②CAN总线通信延迟。

苗族的“交牲”习俗很特别，举行葬礼时有交牲（类似献饭），安葬之后，几年里还有交牲。这是家族祭祀，后辈要给死去的叔伯献上一头牛，又叫祭“牛王神”。届时，要杀牛，请客，相当耗费财力。

1) CAN总线带宽。CAN总线传输速率与通信距离的关系见表1。

表1 CAN总线传输速率与通信距离的关系

每个支架控制器需要发送或接收的数据通道为14个：5个行程传感器，3个压力传感器，2个红外传感器、2个无线传感器、2个左右邻架传感器。支架间的通信开销、数据校验、握手应答等需要每个支架按30个数据点计算。假定每个点每秒产生1个数据，每个数据占用2个字节，所需通信带宽为：

30 ×16 × 112 = 53 760 bps = 53.76 kbps

如果进一步加上姿态传感器或其他类型传感器，基本上已经达到了CAN总线的极限负荷。如果将来要进一步提高工作面的智能化程度，例如：电磁先导阀的状态监控和故障预测、各类传感器的故障预测等，需要采集大量的电气数据，且采样频率必须远高于1 Hz，所需的通信带宽将远远超过CAN总线所能提供的带宽。

2) CAN总线通信延迟。信号隔离耦合器的传输延迟，信号传输过程的延迟一般为几us至几ms。每4个支架1个耦合器，共有28个信号隔离耦合器。通信延时不可忽视，可能引发数据阻塞现象。CAN总线没有主从之分，靠各节点的优先级来决定通信次序，传输延迟可能会导致低优先级的占用数据通道，造成数据阻塞。

2.2 三机协调控制问题及原因分析

在无人化采煤过程中，会出现三机控制不协调的问题，轻则影响工作效率，重则造成设备损毁，严重影响正常生产工作。经过对三机控制不协调现象的分析后，发现造成这种现象的主要原因是，三机的控制信息在传输时出现数据阻塞和滞后。

三机协调控制主要由井下顺槽集控中心来完成。液压支架采用CAN总线连接，并采用了CAN-以太网服务器，将CAN总线格式数据转换为以太网格式数据发送至井下顺槽集控中心，采煤机和刮板输送机等其他设备采用RS485总线与485-以太网服务器连接，485-以太网服务器再通过以太网与井下顺槽集控中心连接。

分析三机控制信息传输时的数据阻塞和滞后，主要受到两方面因素限制。一方面，采用CAN-以太网服务器和RS485-以太网服务器会在信息转换过程中不可避免地增加一部分网络延迟，造成控制指令传输的迟缓；另一方面，采用以太网来传输实时控制指令，有一定先天劣势，以太网络是一种通信“非确定性”网络，不能同时满足实时性、稳定性、可靠性、安全性要求。

2.3 采煤机定位问题及原因分析

采煤机的精确定位作为智能化工作面长时间无人化工作的基础，经过生产实践的检验后，发现会出现采煤机定位不准确，跳架的现象，影响正常生产工作，影响三机的协调控制。

智能化工作面采用了采煤机编码器为主定位装置，支架传感器作为校核的定位方式。但在使用红外传感器时，需要尽可能保证红外接送器和红外发射器处于同一水平面，保证红外线的接收效果。若二者高度差过大，会出现跳架的现象，所以红外传感器使用条件对于工作面底板的平整度有着较高的要求。采煤机牵引机构在牵引过程中，可能会受到地形或机械磨损等影响，出现打滑或者空转的现象，造成编码器计数增大，另外在采煤机运行过程中，编码器也会不断累计误差，都会造成采煤机定位出现偏移。

3 智能综采系统改进措施

3.1 电液控系统通信网络架构的优化

针对井下工作面视频画面卡顿和CAN总线数据阻塞两个问题，提出了改进方案，进一步提高电液控系统通信网络的可靠性。

现有使用的电液控系统通信网络架构方案和改进后的电液控系统通信网络架构方案如图1和图2所示。针对视频卡顿问题，在改进方案中建议使用千兆工业以太网进行视频监控信息的传输，千兆工业以太网理论最大传输速度为125 MB/s，可以更好地满足现有工作面监控摄像头的数据传输需求，也可以为今后增加监控摄像头提供预留接口和带宽。利用工业以太网代替现有的CAN总线，实现对液压支架的控制和监视。

图3对电液控系统通信网络架构的改进方案进行进一步说明。采用链式连接的电液控系统通信网络，增加了智能网关和两个频段的无线AP，智能网关专门针对液压支架移架时出现的通信短线问题，采用有线传输和无线传输两种数据传输方式，并且增加了备用电池，用于维持通信畅通。

图1 电液控系统通信网络架构原方案示意

图2 电液控系统通信网络架构改进方案示意

正常工作，即没有出现线路短路时，只采用有限传输方式进行数据传输；在出现线路短路时，智能网关可以立即切换至无线传输方式，保证数据正常传输，并且在集控中心提示出现线路短路的位置，便于维修。现有2.4G频段的WIFI带宽主要为150 M、300 M和450 M等，完全满足传输液压支架控制指令和监控信息的要求，而5G频段的WIFI带宽可以达到千兆以上，可以达到视频信息的要求。

图3 电液控系统通信网络架构改进方案示意

3.2 三机协调及采煤机的精准定位

采煤机的精准定位是三机协调控制的关键环节。实时监测采煤机的精准坐标，可以为刮板输送机的拉直和液压支架的移架提供准确的参考。现有的采煤机定位方案是智能化工作面采用采煤机编码器为主定位装置，支架传感器作为校核。针对前述分析中指出现有方案的不足，提出一些改进建议。

用于采煤机定位的红外传感器只测量采煤机运行至第几个液压支架，并没有准确地测量采煤机的精确位置，并且对于采煤机和液压支架的相对位置差也有很高的要求，所以，需要采用无线传感器代替红外传感器。作为采煤机定位的辅助方法，可以分别在采煤机和液压支架上安装无线传感器，并且在排头位置安装1个作为基准的无线传感器。不同的无线传感器依次与采煤机进行通信，标定采煤机相对于液压支架的位置坐标，而不是采煤机的大致位置。另外，无线传感器对于采煤机和液压支架的相对位置差没有限制要求，相较于红外传感器，应用时更加方便。

作为采煤机主定位装置的编码器存在误差累计，影响采煤机的定位准确性，可以在单个编码器的基础上加入多个编码器，提供信息的冗余，通过融合算法修正单个编码器的误差。另外，为了避免牵引轮打滑，其编码器出现空转现象，造成采煤机定位不准确，可以为采煤机增加从动轮。从动轮不为采煤机提供动力，不会出现打滑现象，利用编码器记录其运动过程，提高采煤机定位准确性。采煤机传感器布置示意如图4所示。

图4 采煤机传感器布置示意

图5 组合导航基本框架

现有的采煤机定位方式有很多种，相较于红外传感器和编码器组合的定位方式，还可以采用多种传感器组合的定位方式，例如可以加入惯性传感器、无线网络、编码器和摄像头。组合导航基本框架如图5所示。其中，惯性测量单元可以用于测量采煤机在工作面的三维坐标和自身姿态信息；编码器可以用于测量采煤机行进的里程和行进的方向；摄像机可以采用带有景深信息的深度相机；无线网络可以采用UWB网络测定采煤机的三维绝对坐标，周期性地对采煤机的位置信息进行修正。多种传感器组合的定位方式可以进一步提高采煤机定位精度，而精确的采煤机轨迹坐标也可以为刮板输送机拉直和液压支架移架提供基准。

4 结 语

林盛煤矿地质条件复杂，实施智能开采缺乏成熟的经验借鉴，通过矿井与厂家协同攻关，对智能综采系统在林盛煤矿复杂地质条件下的适用性升级改造做了大量工作，针对井下工作面视频画面卡顿和CAN总线数据阻塞两个问题，提出了使用千兆工业以太网进行视频监控信息传输的整改措施，针对三机协调及采煤机定位问题，提出了基于采煤机编码器和支架红外传感器的融合定位算法，将原有的最大误差2 m以上降低到了0.15 m以下，保证了工作面正常运转。该智能综采系统很好地适应了林盛煤矿地质条件复杂的特点，为提升矿井的生产效率和安全生产水平起到了至关重要的作用，对全国复杂地质条件矿井的智能开采有重要的借鉴意义。