唐會成

(中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

近年來，隨著數(shù)字化、信息化、智能化礦井建設(shè)的提出，大量新設(shè)備的不斷涌現(xiàn)以及新技術(shù)的運用，促使煤礦采掘設(shè)備自動化水平得到了飛速發(fā)展。綜采工作面通過可視化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化等技術(shù)的初步運用，實現(xiàn)了煤炭生產(chǎn)的自動化。而短壁工作面由于生產(chǎn)環(huán)境惡劣、生產(chǎn)過程復(fù)雜、場所分散、設(shè)備移動頻繁等原因，沒有成熟、有效的自動化應(yīng)用[1]。

目前，短壁工作面在生產(chǎn)過程中每臺設(shè)備至少配備一名專職操作人員。設(shè)備之間都是相對獨立的個體，操作人員不能及時了解其他設(shè)備的工作狀態(tài)，導(dǎo)致設(shè)備不能高效、有序工作，常常造成生產(chǎn)和運輸脫節(jié)，并容易發(fā)生堆煤、碰撞等事故。短壁工作面區(qū)域自動化就是通過傳感器、無線通信等技術(shù)運用，把多個生產(chǎn)環(huán)節(jié)和多臺設(shè)備作為一個整體，以實現(xiàn)采、裝、運協(xié)同控制，確保資源有效利用和減少能耗、提高礦井生產(chǎn)安全效率。其充分發(fā)揮了設(shè)備性能，提高了開采效率[2]。

1 短壁工作面設(shè)備

1.1 連續(xù)采煤機

連續(xù)采煤機是煤礦井下一種掘進設(shè)備，適用于短壁開采設(shè)備及巷道的快速掘進，采用多電機驅(qū)動方式。連續(xù)采煤機主要由截割部、裝運煤部和行走部以及液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等組成。履帶式交流變頻驅(qū)動，是短壁工作面重要的生產(chǎn)設(shè)備。

1.2 梭車

梭車是煤礦井下連續(xù)采煤機進行房拄式采煤與巷道掘進常用的配套設(shè)備之一，是煤礦井下一種轉(zhuǎn)運設(shè)備。梭車主要由受料部、刮板運輸部、行走部、卷纜部等組成，通過卷纜裝置伸縮拖曳約200 m電纜穿梭與連采機和破碎機，實現(xiàn)短距快速運輸。其行走方式為無軌膠輪交流變頻驅(qū)動。作為短壁機械化開采的重要設(shè)備之一，其主要功能是將連續(xù)采煤機的煤轉(zhuǎn)運到給料破碎機上。

1.3 給料破碎機

給料破碎機是煤礦井下一種運輸破碎設(shè)備，主要由受料部、刮板運輸部、破碎部以及液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等組成。通過破碎滾筒將大塊煤破碎成小塊煤，實現(xiàn)破碎及轉(zhuǎn)運功能。

1.4 帶式輸送機

帶式輸送機是一種煤炭轉(zhuǎn)動設(shè)備，主要由皮帶、電滾筒及電氣控制系統(tǒng)組成，在煤炭采掘、生產(chǎn)、井下轉(zhuǎn)運、洗煤過程中廣泛使用。帶式輸送機具有結(jié)構(gòu)簡單、承載能力強、工作平穩(wěn)可靠，對物料適應(yīng)性強、輸送能力較大、運輸距離長等特點[3]。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為單機電控系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信信息傳輸系統(tǒng)。煤礦井下短壁工作面區(qū)域自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 電控系統(tǒng)

連續(xù)采煤機、梭車、給料破碎機、帶式運輸機等設(shè)備電控系統(tǒng)主要由主控制箱、顯示器、操作箱、遠(yuǎn)程I/O箱、電機、無線應(yīng)用節(jié)點(application point,AP)基站、無線測距傳感器等組成。

主控制箱是控制系統(tǒng)核心，內(nèi)部裝有主CUP控制器、I/O模塊、斷路器、接觸器、電流傳感器、綜合保護器、信號轉(zhuǎn)換調(diào)理模塊及通信模塊。通過控制器采集各類傳感器信號及I/O口狀態(tài)，驅(qū)動整體各執(zhí)行單元協(xié)調(diào)工作，確保設(shè)備正常運行。

顯示器用于實時顯示連采機運行參數(shù)及故障信息。操作人員通過友好的人機界面，可全面掌控設(shè)備狀態(tài)。

操作箱是設(shè)備控制指令接受傳輸單元，內(nèi)部裝有支持CANopen總線協(xié)議開關(guān)量采集模塊，將操作按鍵控制指令通過CANopen總線傳輸?shù)街骺叵銫UP控制器。

遠(yuǎn)程I/O箱裝有EPEC控制，支持22路脈寬調(diào)制(pulse width moducation,PWM)輸出。通過CANopen總線接收主控箱發(fā)出的控制指令，負(fù)責(zé)驅(qū)動液壓系統(tǒng)比例電磁閥工作。

連采無線基站與破碎機無線基站通過無線分布式系統(tǒng)(wireless distribution system,WDS)使無線AP之間通過無線信號進行橋接中繼，在這同時并不影響其無線AP覆蓋的功能。

無線測距傳感器用于檢測梭車和連采機以及梭車和破碎機之間的距離，實現(xiàn)梭車和皮帶機控制系統(tǒng)間的協(xié)同控制[4]。

2.2 通信系統(tǒng)

CANopen是一種架構(gòu)在控制局域網(wǎng)路(controller area network,CAN)上的高層通信協(xié)協(xié)議，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)的各個領(lǐng)域。與一般的通信總線相比，CAN協(xié)議廢除了總線節(jié)點地址編碼，對通信數(shù)據(jù)進行編碼?？偩€上節(jié)點根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán)，采用逐位仲裁的方式競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，總線上所有節(jié)點可以同時接收到相同的數(shù)據(jù)，而類似RS-485只能構(gòu)成主從結(jié)構(gòu)，節(jié)點間通信只能通過主站輪詢的方式，系統(tǒng)的實時性、可靠性較差。此外，CANopen數(shù)據(jù)采用短幀傳輸，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個，數(shù)據(jù)傳輸時間短。受干擾的概率低，重新發(fā)送的時間短，而節(jié)點在發(fā)生錯誤時可自動關(guān)閉，不影響總線上其他節(jié)點正常工作。CAN總線數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性，支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)[5]。

本文構(gòu)建的控制系統(tǒng)單元采用模塊化、分布式設(shè)計?；贑ANopen通信網(wǎng)絡(luò)主從總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各采掘設(shè)備電控系統(tǒng)主控制器作為主站，顯示器、操作箱、遠(yuǎn)程I/O箱具有CANopen接口的單元作為從站。主站通過監(jiān)控和采集各個從站信息，以完成相應(yīng)的功能。每種設(shè)備主控制器主站地址設(shè)置為1，從站地址分別設(shè)置為2～n，CANopen節(jié)點之間最遠(yuǎn)距離不超過20 m；所有設(shè)備波特率全部設(shè)置為250 kbit/s，總線兩端加終端電阻120 Ω，以減少回波反射。

無線測距傳感器應(yīng)用(chirp spread spectrum,CSS)調(diào)制技術(shù)和對稱雙面雙向測距(symmetrical double-sided two way ranging, SDS-TWR)算法，是線性調(diào)頻擴頻技術(shù)。SDS-TWR基于TWR的思想，根據(jù)數(shù)據(jù)包在兩個節(jié)點之間進行雙向傳輸時間來計算得到兩個節(jié)點之間的距離。這種方式不需要兩個節(jié)點的時鐘進行同步，降低了系統(tǒng)對硬件時鐘的要求，能夠避免因時鐘不同步而引起的誤差[6]。

WiFi技術(shù)是一種無線局域網(wǎng)傳輸技術(shù)，涉及到人們生活的各個角落，具有成本低、終端便攜、便于組網(wǎng)等特點。近年來，隨著煤礦井下信息化網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)得到了飛速發(fā)展，組網(wǎng)系統(tǒng)主要包括無線站點、AP節(jié)點及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，站點和節(jié)點問可以實現(xiàn)級聯(lián)連接或組建局域網(wǎng)。WiFi無線通信系統(tǒng)的硬件主要包括無線基站與采集終端設(shè)備兩部分[7]。

采掘設(shè)備運行狀態(tài)及數(shù)據(jù)還可以通過WiFi無線局域網(wǎng)技術(shù)接入井下環(huán)網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳輸基于ModbusTCP協(xié)議，采掘設(shè)備主控制器作為Server，地面監(jiān)控中心工控機作為Client。

將連采機、破碎機主控制器通過RJ45網(wǎng)絡(luò)端口接入WiFi無線局域網(wǎng)的無線基站。無線基站通過光纖接入煤礦井下的光纖環(huán)網(wǎng)，從而建立數(shù)據(jù)上傳路徑。在采掘設(shè)備主控制器中，通過編程實現(xiàn)ModbusTCP服務(wù)器功能。在監(jiān)控中心上位機安裝ModbusTCP客戶端軟件，從而實現(xiàn)工作采掘設(shè)備與地面監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)雙向傳輸。

ModbusTCP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖2 ModbusTCP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)

3 軟件設(shè)計

單機程序流程如圖3所示。

圖3 單機程序流程圖

控制系統(tǒng)上電主控制器檢測電流、溫度、壓力、油位等傳感器數(shù)值和CANopen從站狀態(tài)。根據(jù)自檢判斷整機的狀態(tài)，并在顯示器上顯示結(jié)果。如系統(tǒng)正常，操作人員可通過操作箱按鈕進行操作，設(shè)備進行相應(yīng)動作。

4 自動化協(xié)同控制

短壁工作面設(shè)備間的區(qū)域自動化協(xié)同控制在連采機、梭車、給料破碎機、帶式運輸機各實現(xiàn)單機自動化基礎(chǔ)上構(gòu)建有線、無線混合通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了設(shè)備間生產(chǎn)過程信息獲取、信息共享、移動設(shè)備距離檢測識別。通過信息智能處理與決策，促進了安全生產(chǎn)全程的關(guān)聯(lián)融合[8-10]。

4.1 連采機與梭車間的自動化控制

連采機截割過程中梭車行駛到連采機后面，連采機無線基站與梭車無線終端構(gòu)成無線局域網(wǎng)。連采機運輸控制授權(quán)給梭車。梭車做好接煤準(zhǔn)備后，向連采機發(fā)出指令。連采機接收到指令后發(fā)出警示“連采機運輸電機準(zhǔn)備啟動”，而后啟動運輸系統(tǒng)。當(dāng)梭車裝滿煤后發(fā)出連采機停止運輸，連采機自動關(guān)閉運輸。通過連采機和梭車間的自動化控制，減輕了連采機司機的勞動強度，使其在割煤過程中不必關(guān)注運輸裝車過程，從而提高了生產(chǎn)效率及巷道質(zhì)量。

4.2 梭車與破碎機間的自動化控制

梭車裝滿煤后駛向破碎機，通過梭車和破碎機間的測距傳感器，檢測兩臺設(shè)備間距離。根據(jù)實測，破碎機發(fā)出警示“連采機運輸電機準(zhǔn)備啟動”。此時，破碎機無線基站與梭畫無線終端構(gòu)成無線局域網(wǎng)，以確保區(qū)域內(nèi)梭車、破碎機、皮帶間的信息共享。如果皮帶機、破碎機運轉(zhuǎn)正常，則梭車可以卸煤；否則，禁止梭車運輸啟動，梭車司機可通過顯示器看到具體故障信息，避免堆煤。通過梭車和破碎機間的自動化上煤實施，不必再為破碎機配備操作人員。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)在短壁工作面多臺單機設(shè)備電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上，通過無線測距傳感器運用及無線網(wǎng)絡(luò)局域網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，提高了短壁工作的自動化水平，實現(xiàn)了連采機與梭車、梭車與破碎機之間區(qū)域自動化控制，并達(dá)到了減人增效的目的，有利于促進煤礦井下的安全生產(chǎn)。實際應(yīng)用表明，本系統(tǒng)在一定程度上解決了利用有線難以實現(xiàn)的短壁工作面多設(shè)備自動協(xié)同控制的問題，可靠性、安全性、工作效率得到極大提高。