基于可编程自动化控制器的综采设备智能一体化探索.pdf

第3 2 卷增刊12023年6 月文章编号：1 0 0 4-40 5 1(2 0 2 3)S1-0217-06基于可编程自动化控制器的综采设备智能一体化探索中国矿业CHINA MINING MAGAZINED0I:10.12075/j.issn.1004-4051.20230407Vol.32,Suppl 1June2023蒲林（国家能源神东煤炭集团保德煤矿，山西忻州0 3 6 6 0 0）摘要：为解决传统综采工作面设备分散控制的问题，以可编程自动化控制器为基础，匹配建立设备一体化模型，优化设计智能化控制系统，通过PAC对工作面及其配套设备实现一体化集中控制。在综采工作面运行该集成系统，使采煤机、刮板输送机、支架以及泵站设备实现智能协调运行，落煤、运煤与支护工作的有序衔接配合，不但很大程度上减轻了工人劳动强度，而且极大地提高了生产效率，充分体现了一体化控制成果，具有良好的应用前景。关键词：综采设备；编程自动化；PAC集中控制；智能协调；高产高效PU Lin中图分类号：TD42Exploration of intelligent integration of fully mechanized mining equipment(Baode Coal Mine,National Energy Shendong Coal Group,Xinzhou 036600,China)Abstract:In order to solve the problem of decentralized control of traditional fully mechanized working faceequipment,based on programmable automation controller,equipment integration model is established tooptimize the design of intelligent control system,and integrated centralized control of working face and itssupporting equipment is realized through PAC.Running the integrated system on the fully mechanizedmining face makes the shearer,scraper conveyor,support and pump station equipment realize intelligentcoordinated operation,the orderly connection and cooperation of coal falling,coal transport and supportwork,not only greatly reduces the labor intensity of workers and greatly improves the production efficiency,fully embodies the integrated control results,and has a good application prospect.Keywords:fully mechanized mining equipment;programming automation;PAC centralized control;intelligent coordination;high yield and high efficiency0引言2022年，煤炭消费量占我国一次能源消费总量的5 6.2%，高产高效矿井建设为中国经济高速增长提供了重要的能源保障，在新技术新设备的智慧化时代，煤矿生产建设也在不断创新发展。现如今绝大多数煤矿生产已经将采煤机、液压支架以及刮板输送机实现了分散式控制与自动检测能力，如采煤文献标识码：Abased on programmable automation controller机自适应截割，液压支架自动拉架、推溜，供液泵站自动检测，但此类设备在管理上仍存在实时性不强、异常补偿能力较弱等缺陷1。目前综采工作面控制各设备运行是通过通信手段实现远程及串联控制并具有连锁功能，这种模式的控制下，各设备独立系统单元存在以下的缺点。分散式控制，对综采工作面设备难以实现一体化收稿日期：2 0 2 3-0 6-0 2作者简介：蒲林（1 9 8 7 一），男，四川广元人，硕士，从事安全生产管理工作，E-mail：m1 5 5 3 6 8 8 8 9 1 1 1 6 3.c o m。引用格式：蒲林.基于可编程自动化控制器的综采设备智能一体化探索 J.中国矿业，2 0 2 3,3 2（S1)：2 1 7-2 2 2.PU Lin.Exploration of intelligent integration of fully mechanized mining equipment based on programmable automation controllerJJ.ChinaMining Magazine,2023,32(S1):217-222.责任编辑：刘硕218集中控制；各个子系统之间的联动控制实时性、可靠性不高，延迟较大；基于各个子系统的独立控制，难以实现可靠的备用方案，当存在一处系统故障时，整体均要停机；子系统分散工作，工作面的控制工艺、煤流量监测、运输机等设备之间的配合缺少完善的决策机制。上述传统综采工作面设备之间分工明确独立控制，并不具备有整体智能控制的能力。控制系统按照数据系统和模型系统进行划分，其中采煤机、液压支架、运输机等设备的参数、历史数据等划分为数据系统。因此，在目前生产技术条件下,研究设计更高层次的集中控制方案是当下综采工作面智能一体化发展呕需解决的问题。可编程自动化控制器系统（以下简称“PAC”)的优势逐步凸显，其具有性能稳定空间占比小的特点，采用梯形图语言进行编程，其优势在于不仅支持多种算法，而且封装容易。采用梯形图语言编程使得程序逻辑基本不会出现异常，PAC支持IO输入输出接口、TCP网络接口，这些特点使得其对外连接非常可靠。PAC本身硬件非常坚固，适合井下复杂危险的工作条件，并且其体积小巧，安装方便。基于PAC的高稳定性、支持多种算法的优良特点，为提高综采工作面的综合管理水平，实现集控智能化方案，开发基于可编程自动化控制器的一体化智能控制系统。1PAC架构分析PAC封装了各控制子系统模块，其系统架构主要包括硬件和软件两个方面 2。硬件方面包括PAC控制器、I/O模块、传感器、执行器、通信模块等。其中,PAC控制器是系统的核心，主要负责控制逻辑的编程和执行，实现各种控制功能。I/O模块用于采集和输出信号，将传感器和执行器与PAC控制器连接。传感器用于采集环境参数，如温度、压力、流量等，将数据传输到PAC控制器中。执行器用于执行控制命令，如采煤机的启停控制、刮板输送机的转速控制等。通信模块用于将系统与上位机进行通信，实现远程监控和控制。软件方面包括控制逻辑、人机界面、数据处理等。其中，控制逻辑是系统的核心，主要包括采煤机的启停控制、输送机的转速控制和支架的跟机动作执行等。人机界面用于实现操作员对系统的监控和控制，通常采用触摸屏、键盘、鼠标等方式进行操作。数据处理用于对采集的数据进行分析和处理，以实现系统的优化控制和状态监测。该系统主要承担工作面各设备信息综合处理工作，其控制逻辑由4部分组成，分别是采煤机、刮板中国矿业运输机、泵站以及液压支架控制部分，由主控制系统协调工作，保证工作面各运转设备系统化的智能决策。1）采煤机控制系统：采煤机控制是基于记忆截割模板的控制，采煤机割第一刀煤时其基础参数包括采高、构造、启停位置、滚筒高度和行走速度等被存储记忆在可编程控制器中，在接下来的割煤循环过程中，其工作状态是根据存储记忆在可编程控制器中的参数实现。实时传输割煤数据，分析调整截割运行状态并将数据实时传回可编程控制器中，以便调整采煤参数，实现自动化割煤。2）液压支架控制系统：集成化的控制系统将能够实现液压支架的自动推溜移架。采煤机割煤行走过程中,PAC控制器接收来自于采煤机位置传感器回传的信号数据，分析处理其相对位置，发出指令到液压支架控制系统中，及时收回采煤机前五架的护帮板与伸缩梁并跟进采煤机后五架的拉架作业。3）运输机控制系统：运输系统由上位机增加智能决策功能，可编程控制器实现对状态的检测，对获取的数据进行回传。可编程自动化控制器协同控制算法的研究，将工作面机器人的控制工艺、煤流量检测等参数逻辑与顺槽输送机以及整个运输系统想配合，结合上位机中的决策判断结果，进行控制。4）泵站控制系统：可编程自动化控制器实时监测监控各功能泵的回传数据，根据各功能泵的工作需求及时调节工况，使之自动完成工作要求。5）一键启停系统：用来实现三机、皮带、泵站、煤机、支架的统一控制。每一项的启动命令发出后，子系统会自动检测设置好的检查项，若符合则继续执行，否则停止，各个子模块在理论意义上处于并联模式，互相之间不干扰。2基于PAC的综采工作面控制系统子模块综采机器人具备的基本功能是能够智能感知、科学决策和有效控制综采工作面设备 3 。将工作面的设备与控制系统进行融合，并赋予智能执行，进而实现采煤技术与网络技术深度融合。2.1基于PAC的智能调高控制当前简单地质条件工作面已经在个别矿区实现了“以自动化为主，人工干预为辅”的智能开采工作，但在地质条件较为复杂的工作面中，采煤机割煤作业出现“水土不服”的问题，其表现为适应性降低、错误率升高的状况。采煤机智能调高技术和工作面设备系统智能控制是智能控制系统的研究重点之一。针对煤矿井下复杂地质条件工作面存在采煤机无法自适应调高 4，工作面设备无法智能联动控制第3 2 卷增刊1功能等难题，根据神东保德煤矿放顶煤开采工程条件，提出基于支架支撑高度、工作面地质概况和采煤机三维定位技术目标来实现工作面智能割煤，构建针对复杂地质条件下放顶煤开采工艺的工作面设备智能联动控制平台，从而实现保德煤矿综采工作面的安全高效智能化开采。研究策略有以下主要技术要点：在采煤机上安装摇臂调节油缸行程、滚筒振动和截割阻力等传感器，实时监测传输采煤机滚筒运行姿态与工况；通过采煤机牵引阻力与行程传感器，监测监控采煤机姿态与工况；通过融合采煤机滚筒高度与机身姿态工况综合地理信息系统，实现采煤机滚筒自适应截割。2.2工作面采煤机截割部运行修正技术以建成“可视化工作面”作为保德煤矿综采工作面工作目标，采煤机智能高效运行需要融合设备工况、回采工艺以及地质详情等外在信息条件对截割部运转进行动态修正 5 。通过研究保德煤矿综采工作面识别煤岩（研）分界面的数据特征，结合地理信息系统构建工作面顶、底板三维可视化空间，建成工作面采煤机截割高效运转修正理论模型，形成完整的采煤机截割运行体蒲林：基于可编程自动化控制器的综采设备智能一体化探索与液压支架的协同控制。3）根据不同的采煤机作业工艺，生成适用于自动化工作面的机架协同作业图。2.4基于PAC的井下煤流负载均衡控制煤流负载均衡控制系统用于实现综采工作面运输机内是否有大块煤拥堵、煤壁片帮量增大以及卡链等导致运输机过载等异常情况的处理方案等。如图1 所示，系统由PAC进行统一调控，在工作面回采过程中，转载机运行不可避免地出现大块、卡链以及过载等情况，在此期间其电流表现为异常增大，将会触发保护阈值，此时系统将会降低刮板输送机以及采煤机运行速度，以减少货运量。当其运行电流恢复正常后，系统自动监测运行工况参数，如若无异常状态则恢复正常运行。219系，实现智能化割煤修正技术。基于PAC的采煤机控制系统可以实现对采煤机的自动化控制，包括采煤机的启停、移动、转向、采煤滚筒的旋转和升降等，提高了采煤机的工作效率和安全性。2.3采煤机与液压支架“机架协同”功能设计1）工作面具备跟机自动化条件，在无人或少人操作情况下实现全工作面采煤工艺自动控制技术。2）依据采煤机修正后的截割模板，实现采煤机煤流负载均衡启动准备是采煤机运行工作面转载机电流否运输机电流110A230A是是运输机电机转速降为采煤机速度400r/min，采煤机速度2m/min,推溜停止2m/min,推溜停止支转载机电流否连续片帮超过20架是采煤机停机、推溜停止否转载机电流转载机电流 2 3 0 A否转载机堵大块是采煤机停机、推溜停止否文转载机大块解除否正常（运输机电流150A持续3 s是报警，启动终止电机电流 1 5 0 A150A持续3 s持续3 s是否否报警，启动终止否是报警，启动终正三机启动成功反馈报警，干预是三机启动成功）图2 三机启动自检系统Fig.2 Three-machine start self-test system障检测、系统自检、三机与运输巷皮带连锁检测、三机控制状态检测以及泵站组合开关的检测，最大程度上避免了工作中的异常情况，确保了工作的安全。三机启动后,PAC检测破碎机、运输机和转载机电流是否大于各自阈值，若任一设备出现异常状况，则停止运行并进行报警处理。若无异常启动成功后则进行成功反馈。基于PAC的三机控制系统可以实现对三机的自动化控制，包括设备的启停、速度、输送量控制等，提高了运输效率和安全性。2.6基于PAC的采煤机自检系统PAC设计了采煤机启动的自动检测功能，目的在于处理突发的异常情况，当自检通过时，则采煤机可正常启动，如图3 所示。在综采工作面采煤机启动前，系统自主检测前后滚筒预警范围以及机身侧护帮板的收回位置、喷雾泵自启动状态、煤机系统远控模式、煤机系统闭锁状态、煤机指定范围内是否有人、采煤机组合开关等。若发现异常则进行报警处理，当无异常时进行后续的启动步骤。否2.7基于PAC的支架控制系统传统的液压支架操作由人工完成，不具备智能化的要求，本方案设计的基于PAC的控制系统实现了对液压支架的智能化控制，如图4所示。在支架启动前首先进行准备工作的检测，检测项目有支架系统、煤机自控系统、远控模式、闭锁信号等，在检测通过的情况下进行后续动作。支架系统支持对护帮板的收放、伸缩梁的伸缩、立柱的升降、支架的拉移、刮板输送机的推移等功能，并在每一项动作完成后搜索其反馈信号，反馈成功则认为动作执行完毕。支架是综采工作面的重要设备，支撑着采煤机进行采煤作业。支架的升降和移动直接影响采煤机的作业效率和安全性。基于PAC的支架控制系统可以实现对支架升降、移动和稳定性等方面的控制，提高了支架的工作效率和稳定性。2.8基于PAC的液泵控制PAC控制系统实现了对液泵的智能控制，如图5所示，以乳化液泵为例进行说明。乳化液泵启动增刊1蒲林：基于可编程自动化控制器的综采设备智能一体化探索221采煤机启动准备前后护帮板机身及正常，无故障自检收回报警否香报警，人工干预报警，人工干预报警，人工干预报警，人工干预报警，人工干预启动成功图3 采煤机自检系统Fig.3Shearer self-test system液压支架启动准备喷雾泵正常启动香否煤机处远控模式是采煤机煤机无闭锁状态否报警，人工干预报警，人工干预 报警，人工干预煤机前后5架处无人否记忆割煤否组合开关无故障支架自检，无故障报警否否报警，人工干预报警，人工干预收护打护升立柱降立柱拉支架成组拉帮板帮板文成功成功反馈反馈否报警，报警，人工干预人工干预人工干预人工干预人工干预人工干预人工干预人工干预人工干预人工干预人工干预是是（收护帮板）（打护帮板）升立柱降立柱拉支架（成组拉架）(推溜成功(成组推溜）（收侧护板）（伸侧护板）（升起底油）成功成功前，首先进行泵站自检，检测项目包括系统自检、泵站闭锁信号、远控状态、泵站组合开关等。检测成功后系统进人启动状态，当启动命令执行完毕后，会检测泵站启动成功反馈，若没有反馈则进行报警处理，若收到反馈则判断启动成功。液压泵站是综采工作面的供液设备，为工作面液压设备提供所需的液压动力。基于PAC的液压泵站控制系统可以实现对泵站的供液流量、压力、温度等参数的控制，确保工作面液压设备在作业过程中获得稳定的液压动力。3基于PAC的上位机介绍为实现PAC自动控制与人工控制的联合，突破工支架系统煤机系统支架处于正常启动远控模式报警,人工干预报警，人工干预是推溜支架文文成功成功反馈反馈否否报警，报警，是是是是是是是成功成功图4液压支架控制系统Fig.4 Hydraulic support control system作面各个系统之间的壁垒，设计研发了与PAC配套的综采工作面一体化智能控制上位机平台。通过该平台的建设，实现设备的地面遥控制，实现井下与地面的实时通讯、数据采集及分析等功能，实现三机、泵站、液压支架、采煤机等设备与地面之间的联合控制。上位机系统核心设计目标是井下PAC,在根据井下设备工作智能化运行要求，上位机软件应该具备智能联调功能以及和PAC的接口，这部分工作可以通过机械和电气部分的配套解决。上位机系统采用应用层通讯协议，能够将PAC控制系统的信息实时高效连接，从而及时有效地操控井下综采工作面各设远控模式成组收侧推溜护板文文成功成功反馈反馈报警，报警，成功成功否伸侧护板文文成功成功反馈反馈否报警，报警，成功升起底油缸文成功成功反馈反馈报警，报警，是成功成功缸成功成功反馈报警，是222中国矿业第3 2 卷乳化液泵启动准备系统自检，无故障报警否报警，人工干预泵站开关泵站处于无故障远控模式否支架无泵站无泵站闭锁信闭锁信号否报警，人工干预否否报警，人工干预报警，人工干预是启动乳化液泵报警，人工干预乳化液泵启动成功反馈是报警，人工干预乳化液泵启动成功图5 乳化液泵控制逻辑Fig.5Control logic of emulsion pump备，使之高效稳定运转。上位机负责监视井下的一些视频数据和PAC回传的信息参数，同时可以利用上位机进行参数的配置，初始化PAC的一些信息等。4结语综采工作面智能化集控系统主要由PAC控制系统来实现，通过该控制系统实现了各子系统协同工作，达到了工作面集控智能化要求，其中涵盖了井下设备一键启停、跟机支架动作、跟机喷雾、运输机联动以及设备闭锁等功能。基于PAC的集控系统，通过自适应调节，使得工作面各设备工作处于优良状态，在系统化协调控制下实现安全、可靠的生产工作，满足了矿井减员增效的生产需求，并实现了年产千万吨级智能化工作面的建设目标。参考文献1 郝少鹏.煤矿智能无人采煤工作面开采关键技术 J.石化技术,2 0 2 0,2 7(9)：1 7 5-1 7 6.HAO Shaopeng.Key technologies of intelligent unmannedcoal face mining in coal mineJJ.Petrochemical Technology,2020,27(9):175-176.2 梁晟.PAC码编译码器设计与FPGA实现 D.西安：西安电子科技大学，2 0 2 2.3张守祥，张学亮，张磊，等.综采巡检机器人关键技术研究 。煤炭科学技术，2 0 2 2，5 0（1)：2 47-2 5 5.ZHANG Shouxiang,ZHANG Xueliang,ZHANG Lei,et al.Research on key technology of fully mechanized mining in-spection robotJJ.Coal Science and Technology,2022,50(1):247-255.4韦瑜.智能化采煤工作面自动化技术应用研究 J.机械管理开发，2 0 2 0,3 5（1 2)：2 42-2 43.WEI Yu.Research on application of intelligent coal face auto-mation technologyJ.Machinery Management Development,2019,35(12):242-2435陈颖.采煤机负载特性及其对截割部可靠性影响研究 D.阜新：辽宁工程技术大学，2 0 1 1.