陈明生
（山西焦煤集团西山煤电股份有限公司镇城底矿，山西 古交 030203）
摘 要
为提高煤矿智能化工作面生产系统建设水平，以智慧矿山建设为框架，详细介绍了实现智能化工作 面控制系统的理念、配置以及功能等基本参数，其中主要包括顺槽控制系统、电液控制系统、三机控制系统和采煤机控制系统四大板块，构建了以“远程一键式启停、自动开采为主、远程人工干预为辅，最终实现无人值守”为目标的智慧矿山运营体系。 关键词 智能化工作面；控制系统；安全性；工控平台
中图分类号 TD63+2 文献标识码 A doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2021.03.076
Research on Construction of Production System of Intelligent Coal Working Face
Chen Mingsheng
(Zhenchengdi Mine of Shanxi Coking Coal Group Xishan Coal Electricity Co., Ltd.,
Shanxi Gujiao 030203)
Abstract : In order to improve the construction level of intelligent coal mining face production system, taking the construction of intelligent mine as the framework, this paper introduces in detail the concept, configuration, function and other basic parameters of realizing intelligent working face control system, which mainly includes four parts, namely, chute control system, electro-hydraulic control system, three machine control system and shearer control system, a smart mine operation system is constructed, which is based on the goal of "remote one key start and stop, automatic mining as the main part, remote manual intervention as the auxiliary, and finally realizing unattended".Key words: intelligent working face; control system; security; industrial control platform
收稿日期 22020-11-11作者简介 陈明生（1983—），男，山西广灵人，2006年毕业于阳泉职业技术学院，机电一体化专业，工程师，现在山西焦煤集团西山煤电股份有限公司镇城底矿从事机电管理工作。
1 工程概况
镇城底矿22603工作面地表位于王家坡西，区域可采煤层为2#
、3#
煤层，煤层结构稳定，均厚3.2 m 。工作面采用走向长壁后退式综合机械化一次采全高采煤法，全部垮落法管理顶板，割煤高度2.34~3.2 m 。22603工作面作为矿井主要接替工作面，开采强度较大，对开采设备的操作要求较高，工作面回采期间，巷道围岩变形程度大。针对以上问题，提出在22603工作面构建智能化综采工作面的构想，以实现整个工作面的远程集控智能化运营。 2 顺槽控制系统
镇城底矿22603工作面采用KTC101型集控系
统作为对整个智能化工作面信息集成控制的平台，其中，KTC101-Z-BP 型主控制器主要用于整个变频系统的检测与控制，KTC101-Z 型主控制器主要用于三机设备的预警与控制。顺槽控制系统是实现智能化工作面建设的关键核心，工作面所有的采集数据均通过数据传输平台连接至顺槽控制中心，通过工控平台对图像数据进行识别分析，采用预警机制，生成科学的运行规划。在工作面回采期间，根据刮板输送机移动的位置轨迹，对采煤机运行路径进行设计，制定液压支架耦合自适应的规划，实现工作面智能化生产。顺槽控制系统能够按照设定的周期生成设备运行状态统计报告，通过对出现异常的关键性指标进行分析，有效地反映设备故障原因，实现对设备的有效维护，以及传统更换式维护向智能化预防式服务的平稳过渡[1]。 工控平台是智能化工作面控制系统的核心部分，具备强大的数据分析与自主决策功能，同时支持多种通讯协议。顺槽控制中心工控平台能够实时
显示设备的运行状况，根据设备运行规律，生成运行规划。该平台主要实现数据采集、数据显示、设备控制、数据分析、智能控制以及保护功能[2]。
（1）数据采集功能是工控平台的基础功能，主要通过交换机来反馈工作面设备、环境监测与人员定位信息。
usb转音频（2）数据显示功能具备生成和显示工作面三维立体图、工作面各设备组件运行、受力情况以及设备维护状态的作用。顺槽控制系统数据显示示意如图1
。
图1 顺槽控制系统数据显示示意图
静脉曲张裤子（3）设备控制功能包括设备间联动、设备环境联动与设备人员联动，主要实现采煤机与液压支架防碰撞、采煤机与三机载荷平衡、工作面瓦斯浓度和采煤机联动、工作面粉尘和液压支架喷雾联动、液压支架和泵站联动等功能。
（4）数据分析功能是实现智能化工作面建设的基本前提，主要包含对生产数据、设备运行维护状态以及视频图像识别等多种综合性功能，利用传感器监测，实现对工作面任意时间段内产量、推进度、设备开机率、液压系统压力、液压支架关键部分应力、机械设备振动状态、工作面片帮冒顶的识
别与分析功能。
（5）智能控制功能建立于工控平台数据分析功能的基础之上，通过将生产监控数据与系统设定数据进行对比分析，科学地形成运行规划，实现对系统的整体协调、修正功能。其工作内容主要包括对工作面推进直线度、液压支架耦合自适应、采煤机智能化路径以及三机自移控制等。
（6）保护功能主要承载对设备工作环境、人员的保护，包括对工作面煤壁片帮、顶板冒落、采煤机和液压支架碰撞、电机过载以及施工人员人身安全的保护。
3 液压支架及超前支架电液控制系统
电液控制系统主要执行对工作面液压支架与超前支架的控制功能，同时兼做工作面的数据传输平台。智能电液控制系统采用以太网现场总线控制方式，较之于传统通过CAN 总线控制方式而言，数据传输效率、控制范围与执行能力大大提高。通过工控平台的控制，电液系统能够对局部以及全工作面范围内液压支架的运行姿态进行实时的修正与调整，精确高效地完成支架单架或成组动作，实现对液压支架的自适应控制[3]。
液压支架及超前支架电液控制系统主要由上位机、控制器、传感器、液压主阀和供电系统五大部分构成。其中，控制器、传感器与液压主阀相连，控制器下连LED 照明灯、视频摄像头，控制器之间通过标准conm/4c 型电缆连接，形成电液控制系统，并由交换机接入至工控平台。智能化工作面电液控制系统连接示意如图2
。
图2 智能化工作面电液控制系统连接示意图二代身份证验证系统
液压支架及超前支架电液控制系统采用分层技术将液压支架的运行状态、数据分析显示集成于同一界面上。该控制系统主要实现支架运行状态显示、支架运行控制、无线遥控、急停闭锁、采煤机路径
设计规划以及矿压分析与预警等功能。其中，支架运行状态显示功能主要具备直观显示支架立柱压力、煤机位置方向、采煤机推移轨迹行程、位置与支架护帮板状态等；支架运行控制功能主要通过控制相邻支架或隔架的单组动作与组合动作，执行跟机自动化动作，实现对三角煤的自动截割功能；无线遥控功能主要是通过无线遥控指令，远程指导工作面支架与超前支架的推进动作，实现工作面智能化支护工艺；急停闭锁功能主要实现针对突发事件下对设备的运行状态的有效控制，当工作面出现突发情况时，通过控制急停按钮，停止设备运行，确保工作面人员与设备的安全；采煤机路径设计规划功能主要通过工控平台智能控制功能，形成路径运行规划，实现对采煤机智能化控制[4]；矿压分析与预警功能通过接收工控平台的矿压规划指令，能够实现对工作面顶板初期来压与周期来压强度、周期的有效分析，从而对下一次顶板来压情况进行预测，有效预防顶板灾害的出现。
塑料制品加工设备4 三机控制系统
工作面设备的“三直两平”是检验智能化工作面建设与实现矿井安全高效生产的关键性指标。三机控制系统以对采煤机的精确定位为基础，利用行程传感器、图像识别技术与工控平台的数据分析处理功能，
生成刮板输送机的运行轨迹曲线，并在此基础上，实时调整工作面液压支架的位置，实现工作面液压支架、刮板输送机与采煤机的平直。此外，三机控制系统能够通过工控平台分析处理工作面端头的视频数据，对大块煤体进行有效识别与处理，避免转载机受到损坏。
针对镇城底矿22603工作面的地质构造及开采情况，引进3台型号为VJYJVFG-500M4-4T3300V/1200kW的高压变频一体机驱动工作面刮板输送机、一台型号为VJVFT-400L-4T1140V/500kW的一体机驱动转载机。
三机控制系统主要由三机就地控制箱、数据交换机和工控平台三部分构成。三机就地控制箱通过工作面数据传输平台与工控平台相连，实现数据交换与传输。三机控制系统布置示意如图3。
5 采煤机控制系统
采煤机控制系统是智能化工作面建设的重要组成部分，同时也是实现对煤炭资源高效回采的关键性技术核心。采煤机控制系统分为采煤机就地控制与工控平台两大部分，具有规划采煤机采煤路径、安全防护、实现综采与环境联动等功能。采煤机数据传输采用双向传输的方式，既可以通过自身的数据线进行数据交换，也能够借助工作面数据传输平台完成对数据的传输与接收，具有较强的反干扰能力与环境适应度。
采煤机控制系统主要由上位机、工控平台、数据交换机三大部分组成。控制系统安装在顺槽控制室内，采煤机上位机通过交换机和工控平台相连，生产数据通过工作面的数据传输平台接入至工控平台，实现数据的双向传输通信功能。采煤机控制系统连接示意如图4
电路板的制作
。
图3
三机控制系统布置示意图
图4 采煤机控制系统连接示意图
采煤机控制系统主要实现对采煤机路径规划与控制。目前，对于巷道顶底板稳定、赋存结构没有明显变化的情况，智能化工作面采用的采煤机记忆截割方式已取得了一定成效，但对于巷道顶底板结构复杂、工作面变化较大的情况，智能化采煤作业仍存在一定的局限性。为有效解决这一难题，实现采煤作业的平稳推进，采煤机智能控制系统通过工控平台的数据处理分析，生成采煤机下六刀的路径规划，通过顺槽控制室内的采煤机上位机上输入工作面高度修正值的方式，获取与工作面地质构造相适应的截割曲线，实现对煤层的高效智能化截割。该系统较之传统采煤机记忆截割工艺，在精度与适
所提高，脱泥降灰效果显著，TBS 底流的灰分约升高11.39%，总精煤的灰分约下降0.11%，精煤的产出率约提高1.85%，为公司约创造经济效益466万元。
表2 改造后粗精煤产品筛分实验数据
粒级
/
mm 产率/%灰分/%正积累负积累产率/%灰分/%产率/%灰分/%+0.2570.99.1870.99.18100.010.670.25~0.12525.212.0196.19.9229.114.330.125~0.075 1.427.0497.510.16 3.929.33-0.075 2.530.61100.0
10.67
2.5
30.61
合计100.010.67-0.0748.331.23100.0
11.6
8.3
31.23
合计
100.0
11.6
4 结论
为解决分级旋流器组底流夹细和振动筛脱泥降灰问题，分析原回收工艺，并采用三产品重介质旋流器、三产品TBS 分选、直接浮选以及尾矿浓缩压滤技术进行优化改造，使粗精煤的精细分级精度有所提高，脱泥降灰效果显著，TBS 底流的灰分约升高11.39%，总精煤的灰分约下降0.11%，精煤的产出率约提高1.85%，为公司约创造经济效益466万元。
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（上接第200页）
应上明显提高[5]。智能化采煤机路径规划对比示意如图5
。
图5 智能化采煤机路径规划对比示意图
6 实践效果
镇城底矿22603工作面构建智能化工作面控制系统，实现了综采工作面自行感知、决策及生产设备自动协调联动等智能化开采模式，大大降低了人力投入，提高了回采安全性。镇城底矿22603工作面施行智能化工作面期间，操作人员由14人减少至3人，液压支架调直误差平均降低了38%以上，工作面回采安全性与效率得到了有效保障。
7 结语
随着网络技术与传统工业的深度融合，以智能化生产驱动煤矿建设、实现工业产业升级改造的趋势成为热潮，煤矿的安全高效开采与智慧化矿山建设的联系愈发紧密。本文以煤矿智能化工作面生产系统建设为背景，通过融合采煤机自动截割、液压支架及端头支架的自动移架、运输系统智能运行等关键技术，构建了智能化工作面生产系统的基本雏形，旨在构建高效智能的开采生产体系，实现整个工作面的“有人巡视、无人操作、远程干预、安全高效、绿节能”的智慧运营。
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