摘要:针对煤矿综采自动化水平低、缺乏有效协调联动等现象，提出了一种综采工作面协调控制系统。通过分析综采“三机”设备在系统中的控制要求与工艺流程、研究采煤机与液压支架的协调控制技术，提出了系统总体方案，优化系统通信网络，实现高速、有效的指令传输与动作控制。优选协调控制器与传感器，设计分析系统的软件主程序流程图，实现协调控制系统融合“三机”设备的控制需求。
关键词:综采工作面;协调控制;采煤机
煤矿的开采任务主要由“综采三机”来完成，传统工作面上，“综采三机”由工作人员通过各自的操作系统实现独立控制，缺少“三机”的协调集成控制技术［1-2］。在生产过程中需要操作人员熟练配合，并通过扩音电话等进行通信，嘈杂的环境为生产带来了一定的安全隐患［3-4］。煤炭综采工作面的智能化与无人化是行业发展趋势和目标，实现“综采三机”协调集成控制，可减少工作面作业人数，提高采掘工作的效率与安全保障水平［5-6］。因此，本文将确定“综采三机”的联动关系，提出协调控制系统方案，优化通信网络与控制流程，最大限度发挥“三机”设备的综合效能。
1控制系统总体设计研究
1．1综采协调控制要求
在协调控制过程中，采煤机位置决定液压支架的动作位置及推溜顺序，牵引速度与刮板输送机的运载能力正相关。采煤机在牵引截割时，牵引速度通常以刮板输送机的输送能力为基准，并考虑自身截割能力、支架推移速度等因素进行最终确定，具体计算如式(1)所示:vc=Qm602KgmSγC(1)式中，vc为采煤机牵引速度;Qm为刮板输送机的输送能力;Kg为刮板输送机受干扰下输送能力下降系数，通常取Kg=1.1;m为工作面采高;S为截割深度;γ为煤体质量;C为工作面采出率，取C=0.9。在采煤过程中，液压支架通过检测采煤机位置，按照相应顺序完成降架、移架与升架等动作，同时为了保证采煤过程的连续性，各液压支架的追机速度应当大于采煤机牵引速度。在开采过程中，为了兼顾安全性与生产效率，应当监测刮板输送机的电机电流，通过改变采煤机牵引速度保证刮板输送机处于额定负载。
1．2控制系统总体方案
将协调集成控制系统分为3个层次:井上监控层、巷道控制层与终端设备层，控制系统的整体结构如图1所示。井上监控层负责井下设备数据的整理与显示远程控制指令的下达与传输等。巷道控制层核心部分为协调集成控制器，实现各采集参数的计算分析，向各设备系统发送控制指令，完成“三机”设备的协调联动工作。终端设备层包括“三机”设备的控制器与传感器等设备，负责各设备动作的控制与工作参数的采集功能。协调集成控制系统主要实现的功能:①远程监测功能。通过系统可实时查看采煤机位置、电机电流，支架立柱压力、动作顺序，刮板输送机工作负载等信息，同时可通过摄像头查看工作面设备状态，方便操作人员的远程调控。②工作面设备顺序启停。在开采工作前后，采煤机、液压支架、刮板输送机、喷雾装置、水泵等设备的顺序启停。③“三机”设备的自动控制。包括采煤机自牵引截割、液压支架的自动跟机、刮板输送机负载的自适应控制等。
2协调控制系统技术策略
2．1采煤机协调自动控制
采煤机的位置获取以液压支架的编号为基准，在采煤机外部安装有红外发射装置，各液压支架安装有红外接收装置，采煤机运行到不同位置时，在该位置处的液压支架会接收到红外信号。采煤机姿态自动控制以采煤工艺编号为基准，通过采煤机位置的监测，判断当前工艺编号及本工艺段内的具体位置。在一个工艺段结束后，采煤机停止运行，按照下一工艺段自动调整滚筒位置，完成姿态调节后继续运行。采煤机在协调控制系统中，具体工作过程如图2所示。根据采煤机系统反馈的工作参数，经过软件处理分析后，控制采煤机牵引方向与牵引速度等，完成自动牵引控制与负载自适应控制。
2．2液压支架协调控制
在协调控制过程中，液压支架将采煤机位置信号传输到集中控制器，控制器整合采煤工艺与位置等信息，向各液压支架发出动作指令，由各支架控制系统接收并完成指令。支架控制系统由支架控制器、电磁阀、驱动器、传感器与隔离耦合器等设备组成。支架控制器通过改变电磁阀的通闭状态，来实现支架立柱与千斤顶的动作控制，其中隔离耦合器连接于相邻支架之间，避免相互产生的电磁干扰。协调集成控制系统配有视频摄像机，视频系统作为工作人员视觉的延申，可直接、实时的观测工作面采煤机与支架等设备的工作情况，并以此作为操作系统的辅助判断依据。
2．3通信技术
协调控制系统设备较多，通信网络复杂，为了对“三机”设备进行有效控制，将整个通信网络分为地面通信与井下通信。井下通信采用RS485串口通信方式，具体通信内容包括设备现场数据的采集传输、控制指令的下达、各设备之间的通信，协调控制器与采煤机系统、支架系统、刮板输送机系统之间的通信。地面通信按照TCP/IP工业以太网协议与井下通信并网，通过交换机实现信息传输，保证井上指令传输到协调控制器。
3系统硬件设备与软件流程
3．1控制器与传感器
协调控制器作为系统的核心，负责三机设备之间的通信与联动控制、上位机控制指令的执行和采集数据的处理分析等功能，需要具备较好的分析计算能力与扩展基础。系统选用S7-300系列PLC控制器，具体型号为CPU317-2PN/DP，电源为PS307模块。本文主要针对控制系统红外传感器与刮板输送机的电流传感器进行选型。红外传感器由红外发射器与接收器组成，负责采煤机位置的检测，具体型号选用GUH5红外发射/接收器，供电电压DC12V，有效工作距离为3.5m。刮板输送机选用GLD200感应式电流传感器，输出频率为200～1000Hz，测量误差≤0．2%FS［7-8］。
3．2系统主程序
PLC程序为模块化设计，系统主程序编写于组织块OB1，其具体工作流程［9-11］如图3所示。设备启停顺序控制程序负责工作面采煤机、刮板输送机、支架、喷雾、牵引闭锁开关等设备的顺序启停。采煤机自动牵引程序与自适应控制程序负责采煤机牵引速度、牵引方向与姿态的控制。液压支架自动跟机程序以采煤机的姿态、位置进行决策，控制液压支架组完成跟机动作与单架的顺序动作。
4应用效果分析
协调控制系统应用于塔山矿以来，取得了较好的经济效益与社会效益。(1)经济效益。该系统应用前，工作面需要“三机”操作人员至少5名;该系统应用后，仅需2名，按300元/工、每天2班计算，全矿每年节约资金60余万元。该系统应用前，煤矿全年产煤84万t煤;该系统应用后，全年产煤92万t煤，全年多产煤8万t，按市场煤价650元/t，全年带来的直接经济收入增长5200万元。(2)社会效益。该系统的应用，提高了“三机”协调工作效率与工作面安全系数，减少了人力及物力资源浪费，同时也保证了操作人员的安全，减少了煤矿事故的发生，具有良好的社会效益。
5结语
通过对设备、综采工艺进行分析，提出了一种综采工作面协调控制系统，融合“三机”协调控制技术与视频摄像功能，实现工作面设备状况的实时、直观监测，方便对设备故障的判断与维护，协调“三机”联合控制，提高工作面生产效率，降低了人力成本。
作者:张兴 单位:晋能控股煤业集团塔山煤矿公司