标题：无人采煤工作面系统
无人采煤工作面系统
综采工作面是现代化煤矿生产的主要环节，是煤矿生产中设备最多、环境最恶劣、工作最复杂的系统，至今一直是各国大力研究的课题。智能化综采工作面控制系统，实现采煤作业的自动化控制以及远程遥控；通过采煤机记忆截割调节控制，采煤机、支架电液控制、运输系统的整体协调控制技术，实现设备的就地/集中/远程三级网络管理，系统能够根据运输系统负荷的大小，自动调控采煤机的生产能力；通过无线网络覆盖，实现移动设备采煤机在工作面环境下的可靠通讯，视频、语音、数据三网合一，解决整个作业面的通讯瓶颈，割煤过程视频自动跟踪监控；根据设备之间传感器的物联网技术，实现相关设备的姿态识别，故障提前预警，实现工作面协调、安全、可靠的生产。整个项目技术达到国际先进水平。
采用先进的数字化控制技术，实现工作面综采自动化是21世纪采矿工业的研究热点,能够提高我国煤炭生产设备的研究设计与生产制造能力。
系统组成
  
综采工作面自动化控制系统是由：工作面集中控制系统、视频监控系统、设备姿态监测系统、通讯网络平台与多项关键技术组成的三位一体的大型控制系统。是煤炭综采成套装备的核心，是操作人员的人机接口。如图所示。整个系统包括以下十个子系统。
1) 地面调度中心综采作业面数据监控与三维展示子系统
2) 井下顺槽设备列车的集控平台与软件子系统
3) 有线通讯网络及无线覆盖子系统
4) 综采工作面视频监控子系统
5) 具有远程测控和姿态检测的智能化采煤机
6) 支架姿态检测及支架电液控制子系统
7) 刮板、转载、破碎、皮带运输连锁控制与工况检测子系统
8) 供电设备及数据监控子系统
9) 泵站控制与数据监测子系统
10) 刮板机俯仰倾角及曲直变化检测传感器子系统
通过建立工作面实时工业以太网与无线覆盖网络，将各个相关设备联系在一起，实现与各个装置的数据通讯。在顺槽集控中心实现对工作面设备的远程控制，设备包括：采煤机、支架、刮板输送机、转载机、破碎机、负荷中心、泵站。对每个设备的工况数据采集、存储、显示、报警，远控。以采煤机位置为坐标，实现对采煤机与支架的视频跟踪切换，完成对整个工作面设备的可视化管理。
通过构建由井下顺槽控制中心、综采工作面有线/无线全覆盖网络、设备远程控制与语音通讯系统、工作面视频监控系统、数据分析与诊断预警、工作面设备姿态检测系统、转载机、破碎机、泵站以及胶带输送机的连锁控制等组成的自动控制平台，实现工作面液压支架、大型采煤机、刮板输送机的协调控制，完成综采工作面生产过程自动化控制功能，提高生产效率；并对主要生产设备工况的实时在线监测、及时发现故障隐患，提高设备开机率；将采集到的数据通过煤矿的高速信息网络传输到地面的调度中心，在地面调度中心设置存储服务器，对相关数据进行存储、显示和分析，实现数据共享与远程管理。
主要研制内容智能化综采工作面集控平台主要包括：井下顺槽控制中心与地面操作平台；采煤机、支架、刮板输送机联动控制装置及工艺控制软件 ；综采工作面的通讯网络系统；工作面视频图像监控系统；相关设备的数据通讯规约及数据采集分析软件，乳化液泵站。
智能化综采工作面集控平台，包括采煤机、支架、泵站、刮板输送机、破碎机、转载机、皮带输送机等设备的工作状态的监测与生产运行自动化集中控制，通过与视频监控技术的结合，实现上述设备的远程遥控操作。顺槽控制中心采用高性能的防爆计算机和实时数据库采集软件，组成井下数据采集与监控系统，采用综采工作面专用控制装置，实现相关设备的控制。设计视频监控平台，实现对整个工作面的可视化图像监控。最终实现在顺槽控制中心对整个工作面生产情况与设备工况的实时监测，完成对采煤机实现远程启停/换向/加减速/调高/喷雾等操作控制，每个支架动作的远程控制与成组远程操作控制，根据工艺要求实现采煤机与支架电液控制系统的调协控制、根据运输系统自动调控采煤机运行、运输程序闭锁、保护与报警。分析软件对历史数据和实时数据进行分析与记录，还有权限管理功能。实现整个工作面设备的视频化远程集中控制，并结合高速通信技术实现工作与生产信息的网络化远程传输与人员视频对话功能；
地面操作平台与顺槽控制中心实现1000兆宽带数据通讯网络，可对工作面设备运行工况与生产情况进行实时观测，并可在紧急情况下对采煤机、支架、三机、泵站与皮带进行急停的网络化远程干预控制。地面集控中心的计算机对无人综采工作面的二维或三维模拟仿真，并实现与工作面可视系统的视频信号结合，实现模拟场景与现实场景一体化与随意切换；[1]如下图所示：
  
通讯网路平台采用有线网路与无线网路相结合的通讯技术，采用无线网络为工作面移动设备数据传输提供了通道，为工作面自动化的实现起到了关键作用。通过该网络实现采煤机的工作状态监视与控制和视频图像的实时跟踪。
在煤矿的综采自动化控制系统中要想实现操作人员离开工作面，实现综采设备的远程控制，必须通过有线或无线的通讯方式实现对采煤机的数据采集与监控，采煤机作为一个移动的设备，采用有线通讯的方式。这种通讯方式，由于电缆的折叠与移动，经常发生断线，维护困难。再加上与动力电缆同缆传输，信号干扰严重。更好的通讯方式为无线通讯。在本项目中，实现整个工作面的无线覆盖，实现与采煤机的数据通讯、视频传输，不仅满足通讯带宽的要求，而且避免拖缆中来回折叠产生的光线或电缆折断的问题，属于关键的技术。
综采可视化综采工作面可视化无线监控系统是专业为煤矿综采工作面量身打造的集视频监控、网络传输、无线手机通讯为一体的井下无线网络平台。针对工作面大粉尘、照明差、区域狭长、设备动作复杂不宜敷设固定线路等特点，为可视化综采工作面提供最佳解决方案。实现对整个工作面的可视化远程控制，是整个系统的重要组成部分。
通过视频监控系统传送的工作面图像，操作人员才能根据煤层变化情况、滚筒截割情况、支架状态等信息，必要时对采煤机进行远程干预，干预操作功能与操作人员跟机作业时相同，可实现采煤机所有动作的干预。通过远程干预可以避免在地质条件变化或煤层变化时采煤机切割到岩石等情况的发生。自动跟踪实时视频监控系统，对工作面设备安全运行提供了有效的保证。
工作面视频图像监控系统是实现工作面可视化的重要组成部分，将视频数据通过无线网络和有线网络相结合的通讯方式传输到工作面集控平台，实现图像自动跟着采煤机移动功能，采煤机运行到什么地方，对应位置的视频图像实现切换。实现对采煤机的随机监控。针对工作面煤尘大，采用气体保护技术实现对镜面的专利保护技术。使操作司机通过视频画面随时了解现场情况。通过智能化综采工作面集控平台实现对现场设备的远程干预。
实时控制系统1) 采煤机与支架电液控制系统的整体协调控制技术
该技术将采煤机的自动记忆截割和支架根据采煤机位置自动追机拉架和实时视频跟踪看成一个整体的控制工艺，实现整体协调、安全保护与可视化控制。
智能化综采工作面集控平台可以根据采煤工艺的要求，设定不同的工作模式，实现支架、采煤机与刮板输送机等设备的协调联动控制。通过仿真还原采煤机的工作姿态和支架的工作姿态，计算各设备时间的相对位置关系，预测各个设备之间的运行轨迹，实现不同设备间联动闭锁；实现采煤机的记忆截割功能，结合采煤工艺，完成支架与采煤机的跟机作业，斜切进刀、调斜等功能要求，将整个工作面联系成一个有机的整体。
按照定位与导航技术控制采煤机自动割煤，控制支架根据采煤机位置实现自动追机拉架。实现工艺要求的斜切进刀、端头扫底煤等各种工艺的远程协调控制，对于综采工作面采煤机的自动截割技术以及支架电液控制技术，均是独立的控制系统，还未实现工作面整套综采装置的整体协调控制。将工作面整套装置作为一个控制的整体，对采煤机自动记忆截割和电液控制系统的拉架、推溜、打护帮板、收护帮板以及间架喷雾等随机联动控制。采用嵌入式防爆计算机与采煤机和电液控制系统通讯，通过程序智能化控制软件进行综采设备整体与整个作业流程的自动控制、适应、保护、调整和修复。同时，采用视频实时跟踪技术，实现工作面设备可视化远程自动操控。
2) 根据运输系统的负荷大小，自动调控采煤机的生产能力
主要通过采煤工艺智能化控制系统来实现，采煤机采煤速度与刮板机运输系统存在负荷匹配关系，采煤机与支架移架速度也存在相互协调配合的问题。通过采煤工艺智能化的协调控制，使工作面整体系统工作在最佳状态，实现工作面协调、安全、可靠的生产。以运输系统的负荷参数控制采煤速度，实现设备之间的均衡作业；通过调节采煤机截割高度和运行速度。
工作面运输系统与采煤机仅有起停上的逻辑连锁，没有负荷上的调节配合，经常出现设备过载停机，采煤速度的调控靠人员进行调节。本项目中，我们将设备负荷的自动调节，纳入整个采煤工艺智能化控制系统中。当刮板输送机承载状态发生变化时或刮板输送机过载时，采煤机将自动改变割煤速度、深度来调整生产能力。即根据运输系统的负荷变化，自动调控采煤机的牵引速度，调整生产能力。
3) 远程人工干预与记忆截割相结合的采煤机控制技术
由于综采工作面地质条件和环境极为复杂，因此采煤机在不同的位置采高控制不是固定的，需要根据顶板岩层的变化而变化。其牵引速度也是根据负荷而变化。因此，采煤机需要通过人为操作一个循环割煤周期自学习一遍。在远程遥控时，采煤机将根据学习时的记忆数据进行割煤。但是如果工作面情况与学习记忆数据极端不一致时，需要人为手动干预，这时，需要清晰的视频图像作为干预控制的基础。综采工作面工况复杂，靠传感器不能检测到所有的现场情况，采用摄像机观察工作面的情况是不可缺少的监控手段，与传感器相互配合，是操作司机能够远程操作的重要依据，是人目视范围的延伸，因此，可视化与记忆截割相结合，才能实现真正的远程遥控。但由于工作面煤尘较大，影响摄像机视频图像的清晰度，对此，我们专门对前端摄像机采取了气体防尘的专利技术研究。对网络通讯采用无线传输技术。通过软件实现采煤机远程可视化控制。
系统实现目标1) 通过视频监控系统，对安装传感器无法完成的设备状态进行可视化监视，实现工作面的可视化管理。
2) 通过建立有线、无线通讯网络，实现与各相关设备数据的采集与远程控制。
3) 通过采集刮板机的倾角和顺槽的标高，建立数据库存储相关数据，反应整个工作面的地形情况和煤层走向。控制采煤机的卧底量，避免刮板机垂直弯曲度大于3度，实现刮板机与顺槽的平滑过渡。
4) 通过采集两节刮板机的夹角，反应刮板机是否在一条直线及弯曲段的位置，将此数据发给支架电液控制系统，调节推移油缸步距，最终实现工作面的调直。
5) 通过采集采煤机的位置信号，作为整个记忆切割和追机拉架的坐标，实现端头的精确定位，免避采煤机超出行程割断电缆，并实现视频图像的跟机切换。
6) 采集采煤机机身和摇臂倾角，计算出采煤机的采高和卧底量，控制采煤机的运行。
7) 通过采集采煤机的振动、声音和负荷，给操作司机提供采煤机是否割到岩石的判断信息。
8) 通过采集采煤机的电流和速度，实现采煤机速度的闭环控制，调节不同位置的牵引速度，并结合运输系统的负荷大小，控制采煤量。
9) 通过采集电液控制系统前护邦、伸缩梁是否收回的判断信号，与采煤机控制相配合，避免出现与支架的干涉与碰撞。
10) 通过采集电液控制系统支架顶板的倾角，调节顶板支护情况，使顶板尽量平直接顶，避免出现支架的“翘架”，并与左右领架比较，对出现异常情况进行报警。
11) 通过采集支架间人员定位，给操作司机远程控制提供信息，避免出现安全隐患。
12) 通过采集支架的立柱和前护邦的压力，判断支架是否支护到位，当压力小于初撑力时，系统进行自动补压预紧。并将相关压力数据上传调度中心，实现综采工作面矿压监测。
13) 采集支架推移油缸的行程，通过行程判断支架是否拉架到位，与采煤机的位置和速度相比较，如果拉架滞后超过设定范围，调节采煤机的速度，使采煤机位置和拉架在设定范围之内。
14) 根据采煤工艺，建立控制流程，控制采煤机、支架和刮板机按设定的流程和步骤进行运行。
15) 采集刮板机、破碎机、转载机的温度信号，当温度到达设置的预警值时提前报警。当温度超过了停机设定值，急停设备。
16) 采集采煤机、刮板机、破碎机和转载机的水流量和压力值，实现提前预警，当超过设置的停机值时，急停设备。
17) 采集采煤机、刮板机、破碎机、转载机、自移机尾和皮带的开停机信号，实现设备的联锁启停。
18) 采集设备的开关量报警信号，显示报警。当收到报警停机信号时，联锁停机。
19) 采集设备的电流、电压和功率，判断设备的运行负荷，过载保护停机。
20) 采集采煤机、刮板机、破碎机、转载机、自移机尾和泵站的油温和油位信号，显示报警，当收到报警停机信号时，联锁停机。
21) 采集采煤机轴承振动传感器报警信号，显示报警。当收到报警停机信号时，联锁停机。
22) 将工作面的相关数据传输到地面，实现在地面进行数据的存储并通过计算机网络实现共享，达到生产管理信息化。
结束语无人值守的煤矿综采工作面自动化控制，是21世纪采矿工业的研究热点,能够提高我国煤炭生产设备的研究设计与生产制造能力。