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          煤礦綜采工作面由機械化向自動化的飛躍-----綜采無人工作面整體構想與實現
          日期:2022年04月22日     新聞分類: 董事長寄語      瀏覽:90次
          內容導讀: 煤礦是國民經濟必不可少的基礎性行業,然而它在民眾的心目中卻是一個管理混亂、技術落后、事故頻發的代名詞。與國外發達國家的煤礦相比,百萬噸死亡率要高出很多。一些重大的惡性事故在國際上極大的破壞了國家形象

             煤礦是國民經濟必不可少的基礎性行業,然而它在民眾的心目中卻是一個管理混亂、技術落后、事故頻發的代名詞。與國外發達國家的煤礦相比,百萬噸死亡率要高出很多。一些重大的惡性事故在國際上極大的破壞了國家形象,也影響了我黨的執政能力。提高煤礦的安全水平,減少人員傷亡一直是國家政府,尤其是煤炭大省領導不斷努力的大事。我認為一方面要求行業相關領導提高認識水平,加大制度的建設和執行力度;更重要的是加大技術的研究力度實現無人化開采。煤礦生產的無人值守是煤礦生產發展的必由之路,是解決目前煤礦事故頻發這一難題的最終辦法。采掘工作面的自動化又是整個生產環節的重中之重。因綜采是我國煤礦最主要的采煤工藝,綜采工作面的無人化和少人化就成了解決煤礦安全的核心課題,那么如何解決這一難題呢?要解決這一難題,關鍵是自動控制技術的全面應用,由自動化控制技術從采煤工藝的角度來主導綜采工作面的設備運行及配合。從自動控制的角度來看待綜采工作面就應從綜采系統的整體角度來思考問題:

          綜采工作面是煤礦生產最前沿的工作環節,也是最復雜的工作環節。其設備數量多,設備之間互相制約、相互協調,任何單一設備都無法脫離其它設備而單獨完成任務。同時這些設備的任何一個動作還受地質條件的限制。一個標準的綜采工作面一般要由200-300臺設備構成,核心設備有采煤機、刮板運輸機、液壓支架、轉載機、破碎機和皮帶運輸機,其中僅液壓支架就有100-250架之多。不熟練的工作人員,人工操作都非常困難,實現自動化的難度可想而知。然而,現在的自動化技術已發展到今天,如果有專業隊伍能夠與采煤工藝深入的結合,在地質條件允許的情況下實現自動化工作是完全有可能的??上驳氖敲旱V資源整合為煤礦技術的提高指明了方向,煤礦企業要求技術進步的積極性大大的提高,我們高興的看到晉城煤業集團古書院礦“自動化綜采工作面”已開始下井試運行。陽泉蔭營煤礦的“薄煤層自動化綜采工作面”的地面試車已經結束,即將進入下井試運行階段。在這兩個“自動化綜采工作面”的設計和實施過程中,我們發現要想實現綜采工作面的自動化運行,必須對綜采工作面的設備有一個重新的認識和定位。必須打破原有的在人工操作基礎上以單機為控制目標的傳統思路,打破設備生產廠家的界限、打破設備功能的界限、破除單機智能化的傳統研究思路,從工作面整體采煤的思路來看待每一臺設備。其實它們都僅僅是一個大機器的一部件而已,所有的工作和動作多是為完成一個任務----采煤,都應在一控制中心的統一協調控制下工作。
          一、   要完成機械化采煤向自動化采煤這一驚險的一躍,首先要對工作面設備進行重新分類
          從工作面整體自動化的角度,要把綜采工作面的設備分為三大類:工作面控制中心、生產設備和輔助設備:其中生產設備包括“主要采煤設備、轉載運輸設備”;輔助設備包括“動力中心、泵站”等;控制中心是自動化工作面的中樞神經,包括工作面整體操作平臺、主采機組機控制站、轉載運輸控制站、視頻監測中心、通訊調度中心等。

          1.  生產設備包括主要采煤設備、轉載運輸設備
          主要采煤設備是整個綜采工作面的核心設備,我們不妨把它稱作“主采機組”這里把工作面的三機“采煤機、運輸機、和工作面支架”看成是一個大型設備。由于這三種設備結構上相互連接、動作上互相制衡、位置上相互重疊。故從自動控制的角度來看是不可分割的一個整體,應把它當成一臺大型成套設備來看待,控制也應由一個控制中心統一指揮。盡管現在從生產和使用角度三者是由不同廠家生產和提供,而且各自有自己獨立的動力系統和控制系統,但三者在采煤過程中是不可分割的。在目前以人工操作為主要工作方式的情況下(機械化采煤),每臺設備的動作可單獨操作,并且是各自生產廠家都對其進行自動化技術的改造,如智能采煤、電液控制系統和刮板機在線監測系統等。這些技術都是站在單體設備本身的角度,而沒有從工作面整體運行的模式上來思考。工作面要想連續高效的在無人值守的情況下自動化工作,以上任何一個設備都不能獨立完成。其中一項的自動化水平的提高不會對工作面整體工作有任何影響,只有把它們看作綜采機組的一個部件,通過一個總控中心對每一個環節進行精確定位、協調控制,才能使整個工作面像一臺機器一樣連貫自如、配合默契的工作,才能達到無人值守的目的。其實“無人工作面”或“自動化工作面”應該說是一個有人操作的可以自動行走、自動割煤、自動支護、自動裝煤、自動運煤的一臺大型機器,而操作人員不在機器上,而是在順槽的操作列車上。所謂“無人”只是整個機器的每個部件無人單獨操作而已。
          轉載運輸設備包括轉載機、破碎機、皮帶機和超前支護設備,是綜采工作面的接續設備,主要完成煤炭的連續運輸工作。因其與主采設備無直接連接,并可單獨運動,所以可做為接續設備在控制中心與主采機組進行連鎖控制,實現順煤流起車、逆煤流留停車和緊急停車等功能。超前支護設備雖然也是靠液壓進行行走控制,但控制過程和方式與工作面支架不盡相同,而且可以獨立于工作面支架而單獨行動。它的主要防護對象也是轉載機和破碎機等,所以也把它做為轉載運輸設備的一部分來處理,轉載運輸設備與主采機組通過工作面控制中心進行連鎖控制。
          2.  輔助設備一般是指設備到車上的所有動力保障設備
          輔助設備包括動力中心、泵站、清水站等。動力中心是為整個工作面所有設備提供電力,控制中心可通過網絡對其任何一個動作進行控制,并可讀取每一路線的所有電氣參數及開關狀態。泵站是液壓支架的動力源,可通過控制中心進行集中控制,完成自動配液、軟化處理、壓力檢測、水位控制、泵組開停及各種保護。
          3.  工作面控制中心是綜采工作面由機械化向自動化過度的關鍵設備,包括工作面整體操作平臺、主采機組機控制站、轉載運輸控制站、視頻監測系統、通訊調度系統等。下文重點闡述。
          二、工作面控制中心可由五大系統組成
          1.  主采機組機控制站:主要是負責直接采煤設備的的控制,把采煤機、刮板機、工作面支架這三大組成部分當成一個整體設備進行控制。它可完成采煤工作的各采煤工藝的控制。取代智能采煤機中的智能化部分,如:記憶切割、煤巖分界識別等特殊功能。使采煤回歸到原來的基本功能,主要完成牽引行走、割煤、噴霧和參數采集等功能。而計算量較大的智能控制功能,上交到主采機組控制站,由控制站結合運輸機、支架的工作狀況及具體位置,同時要結合當時的地質條件和瓦斯的變化情況進行協調控制。同時也取代了電液控制系統的部分高端控制要求:如。在主采機組控制站,可選擇“遠程”單體和“遠程”自動操作,在“遠程”單體模式下,用戶可通過自動化集控計算機畫面的手動控制按鈕,實現支架控制系統的單架單功能控制、單步操作、手動成組操作,如支架立柱升、降;移架、推溜、側護板伸;底調、平衡、支架小循環自動控制;成組支架降、移、升工作循環自動控制(成組自動控制,包括:成組自動推溜、成組自動降—移—升、成組自動支架前端輔助采煤機噴霧、成組自動移架噴霧);在遠程自動模式下,液壓支架會跟隨采煤機的運行而進行相應的移架、自動推溜操作、自動降---移---升、自動支架前端輔助采煤機噴霧。根據電液控制系統采集的工作面的各種參數,可在主采機組控制站的計算機上設置相關自動追機拉架、設定控制支架的推移步距、斜切進刀、調斜等工藝過程的參數調整和命令發布;在主采機控制中心的計算機上具有對支架控制系統的故障診斷、顯示和報警功能。使電液控制系統回歸到原始的執行機構的作用上,同時可保留一些常規操作。支架電液控制系統有“就地”和“遠程”控制,在 “就地”模式下,可實現單臺支架降、移、升工作,就地手動具有最高的優先權,就地手動時可以屏蔽掉遠程控制命令。運輸機的在線監測本來也是一個無實際應用作用的中間功能,也歸入到主機控制中心。同時可對運輸機進行自動調鏈和張緊的控制,還可引入變頻驅動技術,實現自動力矩平衡控制。這樣可使系統更加簡單,同時監測到的數據還可直接用于主采機組的保護和控制。除上述主控功能外,主采機控制站還應具備視頻采集控制和控制切換功能。使工作面的視頻信號隨采煤機的運動分屏地投射到控制中心,以便于操作人員觀察現場情況。
          2. 轉載運輸控制站:主要負責轉載機、破碎機、皮帶機和超前支護支架的連鎖和協調控制。并在工作面控制中心的協調下跟隨主采機組的推進自動移動。同時采集所有設備的工作參數和超前支護的頂板參數。
          3.視頻監測系統:主要完成工作面設備及順槽設備的主要監控工作。根據需要分屏地反映到工作面操作平臺上,供操作人員分析使用。要完成綜采設備由人工跟機控制到控制中心集中控制的轉變,必須解決工作面的可視化問題。這里要解決的重點問題有視頻的傳輸問題和攝像頭的防塵問題。由于采煤機移動工作的特點,采用移動無線視頻比較好。要使整個工作面達到無線網絡全覆蓋,然后在液壓支架和采煤機上安裝攝像頭,并可根據采煤機的位置控制攝像頭交替工作,自動跟蹤采煤機行走,以保證最佳的視頻效果。防塵也是必須解決的關鍵問題之一。
          4.通訊調度系統:在工作面無線覆蓋的基礎上,為工作面所有空間提供無線全覆蓋的無線通訊系統。使工作人員在工作面及兩個的順槽的任何一個位置都能進行移動通訊,保證整個工作隊伍的通訊聯絡。

          5.工作面整體操作平臺:是整個綜采工作面的所有設備進行集中控制的平臺。它可控制整個綜采工作面所有設備,同時負責與地面調度進行信息聯絡,地面調度中心可能過光纖網絡監視工作面的所有設備工作狀態和各種參數。同時可進行視頻監視和電話指揮,必要時可在地面對設備進行人工干預,以便處理緊急事故。

          三、綜采無人工作面的系統框圖及模型見系統示意圖


          四、該構架下的自動化綜采工作面的特點
          按上述構架所建立的自動化綜采工作面有以下特點:
          1.打破了綜采工作面以機械設備為主的工作模式。目前所謂“自動化工作面”的研究均是在傳統的“人工操作模式”下以某種機械設備為主進行擴展,其中一種方法是以電液控制系統為基礎,采集采煤機的信息,以此擴展到工作面其他設備的控制;一種方法是以采煤機的智能化為基礎再與電液控制控制系統相連進行自動控制。綜采工作面是一個多設備、多系統相互融合和的復雜系統,設備與設備之間的動作相互交織,還要考慮地質條件變化等因素的影響。單一設備的控制系統從運算能力上其實是達不到的,只能是設備之間互相通信和聯絡,再通過各自的控制系統決策控制,這不僅影響了指令的執行時間,也容易出現邏輯錯誤。更何況機械設備廠家其技術特點都是以機械為主,自控的技術力量一般都不高,設備之間還存在相互競爭的因素,想達到協調一致的控制是不可能的。所以要想使整個工作面達到“自動化采煤”的目的,必須打破以機械設備為中心的“機械化采煤”的工作方式。
          2.打破了以設備生產廠家為單元的獨立控制思路。要實現自動化采煤,必須達到多設備協調統一的控制,打破生產廠家的壁壘。這樣既可以提高工作面的整體性,又可以降低對單體設備控制的技術要求。因為,對于單體設備來說,智能化水平再高,也無法解決工作面所有設備的協調工作,對工作面的自動化運行不會有任何影響。
          3.確立了以自動化技術為主導的“主采機組”的整體控制方案。由于綜采工作面的復雜性,必須把工作面相互連接的所有設備看成一個大型的可行走的采煤機組。其中的采煤機、支架、刮板機不論設備的體積有多大、數量有多多、功能有多強都是主采機組的一個部件,任何一個動作都要在協調其他部件、同時考慮工作面環境變化的情況下執行。
          4.通過無線網絡全覆蓋,使工作面的視頻監視功能得到加強,同時也解決了語音通話的問題。更重要的是在特殊情況下可以在工作面可視的距離內任何一點進行遙控操作。無線網絡還可以作為數據和控制信號的備用通道,使我們的控制系統的傳輸達到雙通道互為備用,大大提高系統可靠性。
          五、此框架下的自動化工作面能達到什么效果
          在以上控制方案實施后,可實現四級監控,三級控制:
          1.可在地面調度室監控工作面所有設備的工作過程、工作狀態和相關數據。通過視頻觀擦采煤機行走、割煤、搖臂調高臥底的動作過程;觀察液壓支架的升---降---移的工作過程、轉載運輸設備、超前支護設備的工作和移動過程。并可進行語音通話,實施語言指揮;在特殊緊急情況下,還可以直接干預停機。
          2.可在順槽設備列車上(工作面控制中心)進行“遠程自動控制” 和“遠程手動控制”。 “遠程自動控制” 就是在工作面條件允許的情況下實現全自動采煤,采煤機可實現記憶切割,根據示范刀切割數據進行自動巡航、調高、臥底、加速和減速;實現斜切進刀、磨三角等功能。支架可以實現跟機拉架、調斜、成組拉架等動作?!斑h程手動控制”就是在工作面地質條件不好的情況下,在控制中心的計算機上通過視頻觀察對單體設備進行點動控制。
          3.在遠程操作出現問題是,工作人員還可以拿手持遙控器在可視范圍內進行人工操作。
          4.除了上述自動化的工作之外,采煤機和支架還保留各自的本機操作功能,在特殊情況需要人員現場處理時,工人可在機器旁進行單機、單功能操作。



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