煤炭综采装备自动化控制系统的研制

煤炭是我国重要的基础能源和原料，虽然我国正加强对产业结构的调整，降低落后产能，关闭高耗能的落后企业，但对煤炭的需求仍然十分旺盛。在煤炭产量快速增加的同时也带来了煤炭需求和安全生产能力严重不协调的挑战。每年由于瓦斯、机电装备故障、煤尘、顶板、水害等的发生，使数千名名矿工失去生命。实现综采工作面自动化是煤矿高产、高效、安全生产的关键。近年来，国家逐步加大对煤矿综采工作面自动化的建设力度，实现工作面机电装备的自动化、信息化和集成化。综采工作面自动化的关键就是综采工作面机电设备要具有较高的自动化水平，进而实现综采工作面的“自动化”和“少人化”，一旦事故发生时，最大限度地减少人员伤亡。

目前，很多煤矿开始实施综合自动化项目，但唯独综采工作面的自动化得不到解决。主要原因是工作面处于不断推移和复杂多变的工作环境中，采煤机难以根据煤岩界面和煤层地质条件的变化自适应地调整自己的工作状态。采煤机、液压支架和刮板输送机（简称三机）的协同工作是实现综采工作面“自动化”和“少人化”的必要条件，综采工作面自动化的关键技术是三机在工作过程中能够适应煤层地质条件的变化，以合理的采煤机截割路径、牵引速度和截割滚筒高度自动切割煤壁，液压支架能够根据采煤机的截割情况自动的进行降柱、推溜及移架等工作，采煤机、液压支架和刮板输送机之间可以根据工况自动调整自己的工作状态，适应综采工作面其它机电装备的工作。

为了解决上述问题，本项目研究采煤机、液压支架和刮板输送机的协同控制技术，使采煤机在记忆截割过程中不发生大范围的牵引速度变化和滚筒高度变化，在记忆截割过程中能够平稳运行，并保证顶底板和底板尽量平整，使推溜和移架能够顺利进行；研究采煤机记忆截割过程中牵引速度、截割滚筒高度以及截割路径的自适应调节技术，使得采煤机能够在煤岩界面或者煤层地质条件发生较大变化时，能够通过截割路径和工作参数的调整，平稳地自动工作。实现采煤机液压支架、刮板输送机的协同控制不仅是实现综采工作面生产过程自动化的重要环节，而且对延长机电装备寿命、提高设备可靠性、保障工人安全具有重要作用。本项目研究成果必将极大地，推动煤矿综采工作面的“自动化”和“少人化”建设，为煤矿的安全、高产、高效生产提供技术保障，该项目的研究成果具有非常重要的理论和现实意义。

综采工作面成套采煤设备远程监控及故障预报是“无人值守智能化开采”工作面的必须条件，本项目以综采工作面“三机”设备—采煤机、刮板输送机和液压支架为研究对象，对智能化综采工作面远程监控与调度的数字化平台关键技术进行研究，达到对工作面进行“遥测、遥控、遥调、遥视、遥信”的功能，实现工作面设备运行状态的远程动态监测、故障的预测预报以及“三机”远程同步自动控制，提升综采工作面系统的柔性生产能力和指挥调度系统的应变能力。为了适应煤矿井下工作环境的要求，并对系统防爆处理。在此项目的研究基础上，提出对综采工作面关键设备进行可靠性远程监控、以故障预测预报以及远程控制的支撑理论及技术，进一步推动综采工作面的全面智能化和信息化。该项目的研究成果将大力提升我国综采工作面系统的智能化水平，将带来巨大的经济效益和社会效益。

项目主要研发内容：

（1）基于记忆截割和人工免疫的采煤机机载控制系统

目前，为了实现采煤机截割滚筒的自动调高，国内外均选择具有记忆切割功能的采煤机作为技术突破口，记忆切割采用的技术路线是机器人控制中广泛应用的“示教再现”策略，该方法避免了顶板煤层厚度测量和煤岩识别的难题。DBT公司已生产出具有记忆切割功能的新型采煤机，但这种采煤机在自动截割过程中也存在一些不足。当煤层地质条件发生变化时，如果仍然采用记忆的相应位置的切割参数（摇臂倾角、调高油缸的位移、截割滚筒的高度等）去切割煤层时，可能会导致截割滚筒截割到顶板岩石、夹矸或者断层，导致采煤机截割部的损害，或者带来严重的生产事故。为了解决上述问题，课题组提出了基于人工免疫和记忆切割的采煤机截割滚筒自动调高技术，将人工免疫理论与记忆切割相结合，实现采煤机截割滚

筒的自适应调高。

（2）采煤机远程监控系统

目前的采煤机均不具有远程监控的功能，只能利用遥控器在20米左右的范围内利用红外技术遥控采煤机，不能满足综采工作面自动化的需求。本项目研发的协同控制器和远程控制器使采煤装备具有远程控制功能，从而实现采煤机电装备的少人化操作，大大减少或杜绝高危环境下的在线操作人员。

（3）采煤机多通道高频信号采集系统

振动信号是反映采煤机截割状态的重要信息，但目前为止还没有适用于煤矿井下机电装备振动监测的装置和系统。项目组自2010年2月开始进行采煤机振动监测系统的设计和研究，已经完成整体电路设计。该装置根据爆炸性气体环境用电气设备通用要求GB3836.1-2000以及本质安全型要求GB3836.4-2000设计。 （4）采煤机精确定位装置

采煤机精确定位装置，是一种适用于采煤机在其工作（行走）过程中，对行走数据（转速）进行采集的装置。该装置也可用于其它采用转速数据编码器，采集其运行的，中、低速转速传动，可为其运行速度（转速）的控制提供可靠的采集数据。 （5）三机顺槽协同控制系统

以适应煤矿综采工作面三机（采煤机、电液控液压支架、刮板运输机）协调集中控制为目标，在满足煤矿产品技术要求的前提下，通过工业以太网和无线交换网连接综采工作面中诸如电牵引采煤机、电液控液压支架和刮板运输机等关键设备，提供基于工业以太网及三维虚拟现实技术（Three-dimension Virtual Reality:3DVR）的综采工作面机电装备远程监测及控制功能。

（6）基于虚拟现实的三机远程监控数字化平台

基于3DVR技术，研发采煤机远程监控数字化平台，实现采煤机工作状态的真实再现。目前的煤矿自动化系统对煤矿固定设备（皮带、泵房、变电所等）的监测，只是提供状态信息，无法实现远程控制。主要原因是操作人员不能真实感知井下设备的运动状态。本项目首次提出了基于“3DVR”技术的机电装备远程监控平台，通过该平台可以“真实再现”井下机电装备的运动状态，使远程操作人员真实感知井下机电装备的真实情况，在获取监测信息的基础上，实现远程控制。

（7）综采工作面无线网络传输系统

基于Wireless Mesh的本安型无线交换机，建立采煤机状态信息和控制指令传输的本安型无线网络平台。目前的煤矿自动化是以有线工业以太网（光纤）为基础，只能覆盖到主要巷道，无法覆盖到煤矿综采工作面和煤矿井下运动的机电装备（采煤机、液压支架、刮板机以及机车等），不能实现煤矿综采工作面机电装备的信息传输和状态监测，更无法实现远程控制。煤矿综采工作面是“生产的源头”，不能实现综采工作面机电装备的远程监控，煤矿真正的自动化就无从谈起。本项目首次研发了“矿用本安型无线交换机”和“矿用本安无线网络管理系统”，可以实现煤矿综采工作面无线网络的覆盖，为实现煤矿综采工作面以及井下其它运动装备的远程监控提供了信息传输平台。“矿用本安型无线交换机”已经申请国家发明专利，并获得国家安标中心颁发的“防爆证”以及现场检测。 （8）刮板输送机自动化控制系统 a、可有效实现运输机的自动推移。 b、自动软启动功能。 c、实现功率平衡。 d、自动调链。

（9）液压支架支架围岩智能耦合电液控制系统

a、高性能围岩监测及信息自动采集系统的研制；

b、可适应顶板变化的液压支架电液控制系统的研制；

c、自动分析各种信息并实现智能控制的支架围岩耦合智能控制器的研制。

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