基于煤矿井下综合机械化采掘设备智能化改造研究

2023-02-20董天勇

河北能源职业技术学院学报 2023年4期

董天勇

（开滦（集团）有限责任公司，河北唐山 063000）

前言

煤矿井下综合机械化采掘设备智能系统借助于传感元器件可以接收、分析、处理采掘作业中的各种数据信息，并且，这种智能系统具有远程操控功能、可视化功能、智能定位功能以及故障预警与自诊断功能，不仅增强了井下采掘作业的安全性与稳定性，同时，也给煤炭生产企业创造了更多的经济效益。

1 采掘设备智能系统的主要特点与工作原理

采掘设备智能系统身兼采煤机、掘进机、刮板机等作业机械的功能，通过远程智能控制可以完成井下掘进、采煤、破碎、运输等作业流程。工作人员只需要在操作终端，对显示器各功能键进行操控，并且，借助于全景拼接显示屏幕可以随时对作业现场的每一道工序进行远程监控，一旦设备出现运行故障，系统将自动发出故障预警信号，这时，终端操作人员可以及时采取积极有效的应急响应措施，以最大限度的降低安全事故的发生概率[1]。

采掘设备智能系统的远程控制功能的实现，主要利用非视觉传感器的定位技术，以及电子测距与测角技术，在实际工作当中，这些技术可以随时对采掘设备的位姿与角度进行调整，并且调整和纠偏方式可以手动控制、无线遥控、远程遥控等控制方式中任意选择，这就给采掘作业的安全性提供了坚实保障。采掘设备智能系统的核心是“三机”协同控制机制，它取代了过去的采煤机、掘进机、刮板机的分项作业功能，将“三机”功能融为一体，使得掘进、割煤、装煤、运煤等作业流程变得更加快捷、高效，更为重要的是可以在“无人”看守的情况下，自动完成上述作业流程，这就给煤炭生产企业节省了大量的人力资源成本。

2 采掘设备智能系统基本结构组成

采掘设备智能系统主要由三个功能层构成，即主控层、设备层与网络层，这些功能层具有远程控制、感知、防撞、定位、遥控、预警、通信与集控功能，专门对井下采掘作业流程进行全方位、全方面控制和管理。

2.1 主控层

顾名思义，主控层相当于整个系统的大脑中枢，专门负责采集生产过程中的各类数据信息，比如掘进深度、推进速度、采煤数量、运输状态等，当这些信息汇总之后，主控层可以快速对其进行分析和处理，然后将这些信息转化成为工作人员可以快速识别出来的文字、图表、图像或者视频的形式，这时，工作人员能够随时了解到采掘现场的生产情况。

2.2 设备层

设备层所控制的主要对象是井下的各种作业设备，该功能层实现远程智能控制主要依赖于各种类型的感知元器件，通过这些元器件，系统的智能监控功能、导航功能才能正常使用。比如监控设备可以将煤巷当中的实时状态清晰的显示在终端屏幕上面，并且，无源导航设备能够对采掘设备进行精准定位，这就大大提升了单位时间内的作业生产效率，并且，掘进精度也得到有效控制。

2.3 网络层

网络层主要是在主控层与各种设备之间建立一种通信关联关系，使主控层与设备层能够正常完成一些基本的作业流程。如果没有网络层，那么，主控层与设备层也无法进入正常的工作运转状态，整个采掘流程也将停滞不前。因此，网络层的数据与信号传输功能为井下采掘工作的顺利展开提供了强大的技术支撑。

2.4 智能系统的功能分解

采掘设备智能系统的各项功能的实现主要依赖于主控单元，该单元只有采集了相关的作业数据，系统才能执行后续的生产作业指令。比如终端操作人员可以根据系统采集的各类数据编制采掘进度计划，系统可以结合计划内容对掘进、采煤等工序进行精准控制。系统的感知功能主要是利用各类感知元器件与影像设备来收集作业过程中的各种数据，并将其直接提供给主控单元。定位功能是事先将采掘设备的走位、位姿、倾斜角度等参量录入系统当中，然后对采掘设备的工作位置进行精准定位。防撞功能可以收集采掘设备四周的地质信息，当系统获取这些数据以后，采掘设备能够规避与岩层相撞的风险。遥控功能主要利用互联网技术对采掘现场的实际作业情况进行可视化控制。预警功能是系统能够及时有效的收集采掘作业中的不安全信息，如果岩层出现险情或者设备出现故障，系统将自动发出预警信号，以便于工作人员及时做出应急响应。通信功能主要是各类设备的各部件之间的数据通信，以及设备层与主控层之间的数据传输。而集控功能则是借助于实时监控系统，对采掘设备、皮带机等工作状态进行远程监控和操作，工作人员只需要在集控室当中便可以轻松完成现场的各项作业流程[2]。

3 采掘设备智能系统的改造与升级策略

3.1 可视化系统的人性化设计

可视化系统承担着采掘现场的各种作业流程的图像显示功能，而过去的可视化系统只能提供作业现场的平面影像，这种显示功能的弊端是容易遗漏监控死角，比如采掘现场周边复杂的地理环境信息，如果这些信息无法显示出来，现场作业的安全系数也将大幅降低，甚至会引发一些严重的安全事故。为此，技术人员应对采掘设备智能系统的可视化功能进行改造升级，在多画面切换功能、画面定位导航功能的基础上，增加三维空间建模功能，这一功能可以对采掘现场周边的地理环境信息进行实时监控，并通过3D 建模的方式呈现在终端操作人员面前，这种空间的即视感能够帮助操作人员准确的识别出采掘现场的地理环境信息，尤其是采掘设备各种行进、采掘线路，能够一目了然的显示在终端屏幕上面，这对终端操作人员的可视化操控将提供更多的方便条件。

3.2 使用权限功能改造

过去，采掘设备智能系统的站控层并未限制使用权限，无论是操作人员、管理人员还是外来人员都可以上机操作，这种使用权限宽泛性给采掘作业埋下了重大的安全隐患。因此，为了保障采掘现场的作业安全，技术人员应当针对不同的“角色”，分别设置使用权限，如果工作人员上机操作，则必须事先输入相关的操作口令，才能执行相应的操作程序。比如管理人员具有可视化系统的操作权限，在输入权限操作口令之后，才能登录到可视化系统界面。而其它外来人员则无法上机操作，这种操作模式既可以避免误操作现象的发生，同时，也能够保障现场作业人员的人身安全[3]。

3.3 完善数据存储与记录功能

采掘设备智能系统具有数据采集、分析、处理功能，而在实际生产过程中将产生大量的数据，如果存储功能与系统的数据记录功能不完善，将极易丢失一些重要的数据信息，比如采掘设备在运行过程中出现故障，系统在记录这一事件时，只是记录了故障类型，却没有记录下故障发生的时间、同一故障发生的时间间隔、故障的具体位置等信息，这就给后续的维护保养工作增加了难度，进而使采掘设备的使用寿命受到严重影响。为此，技术人员应当根据大数据技术，对系统的数据存储与记录功能进一步予以优化和改进，在提高数据库存储能力的同时，能够形成一个清晰、完整的数据信息记录。