工作面运输设备协调控制关键技术研究
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【摘要】阐述了煤矿工作面采煤机、刮板输送机、转载机、破碎机和顺槽皮带协调控制的必要性和实现方法，重点研究了顺序启停、联锁控制、智能调速、故障预诊断和专家系统等关键技术，这些技术在煤矿工作面自动化领域具有创新性。
1.引言
随着自动化技术的发展以及人们对煤矿生产安全的重视，自动化工作面系统得到了更多的关注。自动化工作面系统是指以工作面无人化为目的，综合信息采集技术、协调控制技术、通信互联技术、人机交互技术和专家策略的一种综合自动化系统。无人化工作面是是煤矿工作面的发展趋势[1]，是保证煤矿工人安全的最本根解决方案。自动化工作面系统中，各个运输设备的协调控制技术是保证系统顺畅运行、安全高效的一项重要技术。
工作面运输设备包括采煤机、刮板输送机、转载机、破碎机和顺槽皮带[2]，这些设备之间本身存在联锁关系，互为启动和停止条件[3]，这是协调控制的第一个因素，也是基本因素，关系安全。
协调控制的第二个因素在于节能高效，运输设备的耗电量大，如果没有出煤的时候空转，是对能源的一种浪费，而如果出煤量多的时候快速运转又会对运输设备造成损坏，因此根据出煤量智能调节运输设备的功率及运转速率是必要的。协调控制的第三个因素是故障预诊断，根据运输系统中每个设备的数据，进行分析，对可能出现故障的点做出预诊断。
2.协调控制的必要性
（1）各设备之间启停存在联锁关系，需要协调控制。
工作面煤流的顺序是从采煤机到刮板输送机，再到转载机，经过破碎机破碎后，再到顺槽皮带。破碎机一般跨在转载机上安装，用于将采煤机割下的大煤块破碎。对于控制系统而言，各运输设备按逆煤流顺序启动，顺煤流顺序停止。
（2）运输设备耗电量大，需要根据出煤量智能控制各设备启停和运输速度，以起到节能的作用。
由于煤层的地质构造不同、采煤机的运行状态不同，每个时刻的出煤量是不同的，如果各运输设备按照相同的转速运行，势必会造成出煤量小的时候功率浪费，出煤量大的时候功率不足、损坏设备。因此，按照出煤量实时调节各运输设备的运行速度对于工作面的安全高效运行是必要的。
（3）工作面运输设备的故障会严重影响煤矿出煤，需要故障预诊断功能。
目前的工作面自动控制系统主要是对故障进行检测[4]，当故障已经发生的时候才能检测到，控制系统根据故障类型采取相应的措施，但故障已经发生，设备已经损坏，对工作面出煤的影响已经造成。因此，故障预诊断对于防止故障发生、防止设备损坏是必要的。
3.主要研究内容
3.1 预期目标
预期目标就是根据协调控制的必要性实现相应的内容。
（1）基本功能：实现各运输设备间的顺序启停和联锁控制。这是最基本的功能，是保证安全生产、不发生重大事故和故障的基本条件。
（2）根据出煤量的多少，采用耦合器调速或变频调速实现刮板输送机、转载机和顺槽皮带的智能调速和启停。高低速驱动、耦合器调速和变频调速是工作面中常用的驱动方式，在这几种驱动方式的基础上，结合采煤机出煤量的多少进行调速，可最大限度的节约电能、防止故障。
（3）统计分析各运输设备的运行状况，建立系统运行专家系统，根据历史运行数据对系统中各设备可能会出现的故障做出预诊断。预诊断就是根据历史推知未来，用专家策略对系统运行的历史数据进行分析，对有可能出现故障的点做出预告，以便及时检修，防范于未然。
3.2 研究内容
（1）从系统方面讲，研制一套工作面运输设备协调控制系统，主要功能包括：语音通讯、数据通信、设备间闭锁启停、设备间功率协调等，除功率协调控制功能外，其他功能与现有的工作面通讯控制系统的功能兼容。
（2）从产品方面讲，研制的产品包括：系统控制主机、多功能数据终端（语音通讯、急停闭锁、信号检测、逻辑处理）、驱动设备专用控制器、系统专用电缆、无线通信终端、PDA手持巡检仪等。控制主机是系统的数据中枢和控制策略核心，数据分析和协调控制均在控制主机实现。多功能数据终端向下兼容原有系统的功能。驱动设备专用控制器实现调速型液力偶合器和变频器的分布式控制，有利于减轻控制主机负担、提高系统的稳定性。由于工作面工矿复杂，环境恶劣，普通电缆无法满足要求，因此需要设计工作面控制系统专用电缆。专用电缆需要满足防护性好、数据传输性能好、耐压性好等要求。无线通信终端用于实现工作面的无线信号覆盖，无线信号稳定覆盖整个工作面是无人化工作面的基础，是减少现场走线、节约系统成本的必要措施。PDA手持巡检仪用于设备的检修和巡检，当系统发生故障或发出故障预警需要人工干预的时候，PDA手持巡检仪将发挥重要作用。
（3）从软件（策略）方面讲，要进行以节能、安全为目的的各运输设备间的协调控制策略研究。策略研究需要专家系统，根据专家的经验和建议形成若干算法，以供计算机系统实现相应的功能。
（4）从安全角度讲，要研究以系统历史数据为依据的设备故障预诊断机制。故障预诊断是比故障检测更高一级的安全策略，数据挖掘、数据分析和数据对比是其中的关键技术。
3.3 研究成果
（1）研制1套工作面运输设备协调控制系统，建成1个协调控制系统示范基地，满足各种煤层工作面的协调控制需求。
（2）建立以节能和安全为目标的运输设备协调控制策略，实现各设备输出功率和运行速率的智能调整。
（3）建立以系统历史数据库为依据的专家系统，实现设备故障的预诊断。
4.创新点
（1）在工作面运输设备控制系统中引入协调控制策略，协调控制有迫切需求，而现有工作面通讯控制系统大多缺失此项功能。
（2）实现刮板输送机、转载机和顺槽皮带的智能调速，智能调速包括两种：软启动和过程调速，软启动可以减少设备本身的损坏和对电网的冲击；过程调速是指在出煤过程中根据出煤量对运输设备进行调速，以起到节能降耗的目的。
（3）有线无线混传技术保证控制系统的灵活可靠通信，无线覆盖工作面是目前的一个难点，必须确保整个工作面无线通信的可靠性。
（4）研制本安型工作面手持巡检仪，以适应智能型工作面的巡检工作，对于少人或无人工作面，正常工作或检修巡检也是必要的，手持巡检仪适用面更广，应用更加灵活，功能更丰富。
（5）建立控制系统历史数据库及专家系统，根据设备间的联锁关系及控制策略，对可能出现的故障点做出预诊断，故障出现以后的检测可以起到安全的作用，但终究会影响生产，故障的预诊断可以提前预防，为检修提供依据。
5.结语
对工作面各运输设备进行协调控制是必要的，也是目前大部分工作面通讯控制系统缺失的一项功能。协调控制的关键技术包括顺序启停、联锁控制、智能调速、故障预诊断、专家系统等，是工作面安全运行、节能降耗的重要保证。协调控制系统拥有多项创新，具有良好的市场推广前景。
参考文献
[1]王荣华，张燕斌.PLC技术在矿山机电控制中应用研究[J].现代商贸工业，2011（6）：246-247.
[2]雷志鹏，宋建成.综采工作面输送设备工况实时监测及故障诊断系统的设计[J].工矿自动化，2010（7）：1-5.
[3]毕可仁，孙锡春，邢金成.PLC在煤矿生产中的应用[J].煤矿机械，2006（7）：188.
[4]席庆祥，雷志鹏.综采面刮板输送机状态监测及故障诊断系统设计[J].煤炭科学技术，2011（10）：72-76.
作者简介：孔维社（1982—），男，山东宁阳人，硕士，工程师，主要从事煤矿自动控制方面的研究工作。