采煤工作面自動化系統在教學礦井的應用研究

寧東旭 曹阿軍 張 甜 曹瑞琴

（1.運城職業技術學院，運城 044000；2.山西長江源房地產開發有限公司，運城 044000）

1 研究礦井工作面條件

教學礦井由山西省蒲縣宏源煤業集團投資建設，地處運城職業技術學院校園內。教學礦井的建設以現代化礦井的技術含量為要求，以我國當前煤礦中等裝備為水平，按照煤礦質量標準化標準以1:1的比例建設了井巷工程，形成了真實的大型現代化煤礦生產現場和環境。教學礦井布置有綜采工作面、高檔普采工作面、煤巷綜掘工作面、巖巷炮掘工作面、探放水掘進工作面、探測煤與瓦斯突出掘進工作面等，本文對綜采工作面采煤自動化系統進行應用研究。

1.1 平臺建設

教學礦井中心機房網絡構成基礎為100Mbps局域網，信息傳輸系統采用主干網傳輸速率為100Mbps的工業以太環網系統，主要參數如表1所示。

表1 交換機主要參數

1.2 綜采工作面巷道參數

綜采工作面巷道參數，如表2所示。

表2 綜采工作面巷道參數

1.3 工作面主要設備

工作面主要設備參數，如表3所示。

表3 工作面主要設備參數

2 總體設計思想及原則

采煤工作面自動化系統的設計與應用使教學礦井達到國內一流的自動化采煤工作面水平；實現了教學礦井采煤的網絡化數據采集、信息化生產調度及科學化的經營管理和決策指揮。系統設計應實現井上下對采煤機操作的信息共享與聯通，各子系統能夠充分共享信息資源和設備資源，實現各個系統協同有序運行。

充分利用教學礦井現有的資源，并以此為基礎力爭將教學礦井采煤工作面自動化系統建設成為區域領先、國內先進的自動化采煤系統，為煤炭企業職工安全培訓、高等院校學生實踐教學和科研院所煤炭科研打造一個信息化示范工程。

3 設計目標

以教學礦井工業以太環網為基礎，通過建立采煤工作面自動化系統，促進礦井綜合信息化建設；提高教學礦井整體生產工業化水平，實現集中控制、集中調度、集中指揮；形成完整的、具有教學礦井特色的綜合自動化系統應用模式。

4 系統設計

采煤工作面自動化系統主要系統包括液壓支架監控系統、電牽引采煤機控制系統、工作面設備順序控制系統，輔助系統包括視頻監控系統、膠帶輸送機自動控制系統等，其設計效果圖如圖1所示。系統主要監控綜采工作面的三機配套運行情況，即液壓支架、采煤機、刮板輸送機等設備的工況。

圖1 系統設計效果圖

圖2 電液控制系統示意圖

在地面信息調度指揮中心，工作人員操作上位機軟件系統，實時監控系統運行情況、監視設備運行畫面并能實時發布控制命令等。系統根據采煤機輸入的信息，對采煤機進行連續跟蹤，各子系統間相互配合自動控制液壓支架和工作面上的其他設備，從而完成整個自動化采煤過程。

5 現場應用

5.1 支架改造

教學礦井綜采工作面使用的是ZY2800/12/25支撐掩護式支架。支架改造工作主要包括液壓系統的改造設計、電氣產品安裝位置設計、通信電纜及液壓膠管的走向設計、控制系統一致性和兼容性的處理等。同時，改造完成的支架需滿足支架出廠的各項驗收條件和電液控制系統的各項控制功能要求。

5.2 液壓系統改造

液壓系統的改造主要包括換向閥的變更、液壓膠管排布及更換等方面。為了滿足電液控制系統的正常運行，在總供液部分需增加自動反沖洗高壓過濾站，每臺支架內增加手動反沖洗過濾器。

5.3 電液控制系統改造

電液控制系統改造需增加的電控部件有控制器、驅動器、隔離器、電源、壓力傳感器、紅外傳感器、無線收發器以及相應的連接電纜等，如圖2所示。

圖3 采煤機控制改造示意圖

5.4 視頻監控系統改造

20個支架分布4個攝像頭，平均5個支架、1臺攝像儀，需要配套安裝2臺電源及2臺網絡轉換器。

5.5 輸送機控制改造

輸送機目前直接通過負荷中心的按鈕進行控制，需要改造為遠程控制。利用負荷中心廠家預留的基于RS485的Modbus通信接口，提供通信技術協議。

5.6 采煤機控制改造

采煤機自身的控制系統負責采集采煤機的各項監測數據，傳輸至遠程監控電腦，并執行監控電腦的遠程控制命令。在硬件連接上，為了確保采煤機控制數據在傳輸過程中的可靠性，采用抗干擾能力比較強的RS485總線和采煤機通信，如圖3所示。

5.7 膠帶輸送機控制改造

利用膠帶輸送機控制分站的ModBus-TCP通信接口提供通信協議，并通過通信電纜連接至監控中心。

5.8 采煤自動化系統軟件設計

采煤工作面自動化控制系統上位機軟件的集成畫面參考各子系統廠商的畫面，主要包括采煤機系統界面、膠帶輸送機監控界面、液壓支架監控界面等。它可以實現對工作面設備運行狀態信息、設備運行工況信息、設備故障診斷信息的連續在線實時監測；完成對工作面采煤機、膠帶輸送機、液壓支架電液控制系統等信息的集中監測、顯示、傳輸；將與生產管理有關的信息通過礦井環網實時地傳輸到地面主機，并根據需要在地面進行存儲、顯示和數據傳輸。

軟件系統采用C/S架構實現在地面信息調度指揮中心能夠實時采集各設備的監測數據和控制采煤機、支架等主要生產設備的動作，監控軟件拓撲結構如圖4所示。

6 結論

教學礦井綜采工作面地質條件穩定，煤層賦存條件較好，適合建立采煤自動化系統。教學礦井設備改造成熟，信息傳輸系統可靠，軟件接口相互兼容，具備建設采煤自動化系統條件。采煤自動化系統的設計與應用能提高教學礦井的安全生產能力和信息自動化建設水平，能為教學礦井創造更多的經濟效益和社會效益。

圖4 監控軟件拓撲結構