大柳塔煤矿连采工作面“透明化”生产的设计与应用.pdf

收稿日期 2020－03－31 作者简介 白茹玺 1991 ， 男， 陕西西安人， 2016 年毕业于内蒙古 科技大学电气工程与自动化专业， 助理工程师， 现从事矿井自动化建 设方面的工作。 大柳塔煤矿连采工作面 “透明化” 生产的设计与应用 白茹玺， 李继军， 任文清 神东煤炭集团， 陕西 神木 719315 摘要 大柳塔煤矿掘进工作面胶带机已全部实现无人值守， 设备数据集中显示、 运维， 控制权限分 散下发， 胶带机、 各用途变压器、 馈电、 开关等设备均能实现远程控制， 电流、 电压、 电阻等主要参数 集中显示。针对连采工作面 “透明化” 生产需要解决的问题， 通过将连采各个系统接入环网， 利用 三网交换机， 将电信网、 广播电视网和互联网融为一体， 成功将胶带机、 电器设备、 移动设备运行过 程中的 “人 － 机 － 环 － 管” 数据信息相融合， 真正地将井下 “封闭” 的作业空间全方位 “透 明化” 。 关键词 自动化; 数据利用; 透明化生产 中图分类号 TD822文献标志码 B 文章编号 1671－749X 2020 03－0180－04 Design and application of“transparent”production in continuous mining face of Daliuta coal mine BAI Ｒu- xi， LI Ji- jun， ＲEN Wen- qing Shendong Coal Group Co．， Ltd．， Shenmu 719315， China Abstract The belt conveyor in the driving face of Daliuta coal mine has been completely unattended， and its equipment data has realized centralized display， and the control authority has been decentralized． The belt conveyor， transers for various purposes， feed switches and other equipment can realize remote control， and the main parameters such as current， voltage and resistance can be displayed in a centralized way． According to the“transparent”production needs of continuous mining face， through connecting each system of continuous mining to the ring network， using three network switches to integrate the telecommunication network， radio and television network and the Internet， the“human， machine， environment and manage- ment”data and ination in the operation process of belt conveyor， electrical equipment and mobile equipment are suc- cessfully integrated， and the underground operation is truly“transparent” ． Key words automation; data utilization; transparent production 0引言 当前煤炭生产迫切需求以综合智能控制为基 础， 以安全高效协同作业为目标， 以优化生产工艺流 程为手段， 实现数据高度集成与利用， 创新现代化煤 炭生产运营模式， 打造世界一流煤矿 ［1 ］。随着矿井 自动化水平的不断提高， 基于工业 4． 0 发展趋势， 借 鉴国外先进的管理理念， 神东煤炭集团首次引用大 数据概念， 大柳塔煤矿不断对海量数据工程及自动 化新功能进行二次开发， 掘进系统设备的辅助决策 与健康诊断及关联数据分析等功能在不断提升及开 发。目前掘进工作面胶带运输机实现了集中控制， 做到了 “有人巡视， 无人值守” ， 局部通风机、 移动变 081 白茹玺李继军任文清大柳塔煤矿连采工作面 “透明化” 生产的设计与应用2020 年 电站实现了远程监视与控制， 具备远程风机切换、 移 变远程停送电、 破碎机运输机与梭车自动启停等功 能， 同时将集控信息接入工业环网， 实现了调度室远 程监视与控制等功能［2 ］。神华神东煤炭集团公司 区域中央集中自动化控制系统汇报 ［4 ］和大柳塔煤 矿连采设备集控运行的研究及应用［5 ］虽然阐述了 如何将数据进行整合， 跨平台的进行观察， 但是数据 未形成系统性的报表。为进一步提高掘进工作面工 作效率， 结合大柳塔煤矿掘进工作面实际情况， 信息 组通过海量数据挖掘、 发现掘进工作面生产中有价 值的信息， 通过数据挖掘技术及自动化应用实现煤 矿安全、 高效、 绿色、 智能生产 ［3 ］。文中将结合连采 工作面生产实际情况， 从实时电流数据出发， 进行分 析、 研究， 提供更详细的报表， 督促生产、 服务生产。 1现状与问题 1． 1大柳塔煤矿连采工作面现状 目前， 全国大部分矿井都在提高矿井自动化水 平， 但是掘进工作面生产环境仍然相对较差， 其主要 原因是连采工作面涉及的范围广， 搬家倒面频繁， 设 备布置较为分散、 移动频繁， 人员劳动强度大， 且每 个连掘队均由多部胶带机组成， 实现自动化控制比 较困难。目前大柳塔煤矿已经实现了胶带机、 移动 变压器和馈电开关的远程控制及数据监控 电压、 电流、 分合闸状态等 ， 将各连采队所有胶带机集中 控制。取消了连采胶带机岗位工， 减少了井下作业 人员数量和人员劳动强度， 改善了工人作业环境。 连采面局部通风机实现远程自动切换， 不仅减少了 工作面的停风时间， 而且避免了作业人员浪费时间 和体力到配电点送电等问题。但是生产区域因为条 件复杂、 移动设备多、 电器设备数据上传难度大， 生 产情况除当班人员外， 其他管理人员不能及时了解 各掘进工作面生产运行情况。 1． 2需要解决的问题 为解决上述连采工作面生产数据无法及时、 具 体的呈报给相关人员进行分析、 研究的问题， 文中将 从生产区域的网络、 设备数据、 视频影像等系统进行 分析， 并制定成报表以供参考。连采工作面要实现 工作面 “透明化” 生产， 需要解决几个方面的问题。 自动化网络建设 在连采自动化控制项目启动 后的首要任务是要进行自动化网络建设， 但由于连 采工作面各系统的设备都分布在巷道的不同位置， 涉及范围广， 给网络建设带来较大困难。在建设网 络过程中， 单靠一个简单的串联网络， 面对连采设备 搬家较为频繁， 移动设备较多等特点， 系统使用起来 必然会影响其稳定性。因此， 为使连采集控系统能 够安全可靠运行［7 ］， 设计一个自动化工业环网显得 格外重要。 数据通信 随着科技的发展， 市场上诞生了很多 种通讯接口和数据传输方式， 大柳塔煤矿建矿已有 30 年历史， 设备较为老旧， 很多设备都不具备通讯 功能， 因此需要选择一种自动化改造成本低、 数据传 输稳定的通讯方式， 实现连采系统的自动化控制和 数据上传 ［12 ］。 信息采集量 工作面的实际生产情况目前只能 从跟班人员汇报的进尺情况判断， 生产时间、 支护时 间， 是否故障无从得知。为了能够更准确地了解工 作面的实际情况， 需要将工作面的煤机馈电和锚杆 机馈电、 梭车馈电等设备数据上传， 通过数据分析， 制成报表。 视频传输 地面工作人员无法通过视频等渠道 更直观地了解工作面的生产情况， 且工作面多为移 动设备， 需要加装无线传输设备， 从而更清楚地了解 工作面的运行情况［11 ］。 2解决方案 2． 1搭建自动化工业环网 构建综合自动化工业环网， 不仅要兼顾功能强 大、 结构简单、 维护方便， 扩展性强、 传输性能高等优 点， 而且将连采各个系统接入环网， 利用三网交换 机， 将电信网、 广播电视网和互联网融为一体， 实现 了数据的统一管理、 网络的互联互通、 资源的合理利 用。为连采集控系统提供一个高速、 安全、 可靠的传 输平台［6 ］。 2． 2设备接入方案设计 为方便供电， 连采工作面配电硐室均布置在局 部通风机附近， 主要供电设备包括 风机移变、 生产 和排水移变、 风机等馈电设备、 开关和照明综保组 成。胶带机头主要电器设备包括胶带机馈电开关、 华宁控制器、 摄像头和照明综保， 照明综保主要负责 配电硐室照明、 向工业视频和数据采集箱提供电源。 考虑到连采工作面设备分布不集中， 许多设备距数 据采集箱较远， 且设备移动比较频繁等特点， 胶带机 和供电设备均采用 ＲS485 通讯方式。ＲS485 通讯方 181第 3期白茹玺李继军任文清大柳塔煤矿连采工作面 “透明化” 生产的设计与应用 式， 是将抗干扰的硬接线和串口服务器直接相连， 传 输质量安全可靠。而且现有的大部分电器设备都支 持 ＲS485 通讯方式， 即使有部分老旧设备无法通 讯， 也只需升级保护插件即可具备 ＲS485 通讯功 能［8 ］。不必花昂贵的费用更换全新设备， 避免了许 多额外的自动化改造费用。 图 1连采工作面环网设计 但是 ＲS485 通讯模式不具备在工业环网中直 接传输的功能， 所以就需要借助串口服务器将 ＲS485 转化成 TCP/IP 信号。配电硐室通讯接线方 案如图 2 所示。 图 2配电硐室通讯传输方式 2． 3报表设计与应用 大量的电器设备具备数据上传功能， 实现了远 程控制， 节约了人工和时间成本， 可是海量的数据并 没有得到有效的利用， 大柳塔煤矿利用现有的数据 资源， 充分挖掘数据潜能， 将连采生产区域设备数据 进行集中分析， 制成生产报表， 如图 3 所示。 图 3连采工作面生产报表 原有的连采机生产运行时间取自移动变压器， 通过生产区域视频观察当生产系统运行时的电流， 记为固定值， 当运行电流达到固定值时， 记为开始生 产， 运行电流大于固定值的时间即为生产时间。但 是变压器可能不只是连采机的电源， 可能同时也是 破碎机和锚杆机的电源， 这种统计方式就有不准确 281陕西煤炭2020 年 性， 为了更准确的统计数据， 现将工作面连采机、 锚 杆机、 破碎机馈电数据都进行了上传， 分用途进行分 析， 当电流大于零时， 即为相应设备已运行， 记运行 时间， 从而得出开机时间、 开机率、 支护时间。 2． 4工作面数据上传 数据传输方案 随着现代科学技术的不断发展， 煤矿也由最初的人力开采逐步发展到当今打造数字 化、 智能化矿山的时代。数字化矿山的建设对井下 电气设备的通讯功能提出了更为严苛的要求。以往 的视频上传依靠网线或者光缆作为传输媒介进行数 据传输， 摄像头通过铺设相当距离的缆线进入核心 交换机再通过以太网传至数据采集箱进入井下工业 环网， 再经过井下工业环网上传至地面监控中 心 ［9 ］。目前大柳塔煤矿已实现了 4G 网络全覆盖， 利用 4G 网络使用 TCP/IP 协议传输， 在破碎机和梭 车上安装视频只需少量网线， 安装方便简洁， 视频上 传稳定可靠， 且易于管理维护。避免了连采梭车因 为移动的工作特性和工作面环境复杂而造成的铺设 缆线量大、 人工成本与物料成本较高、 长距离缆线传 输又容易受到压降影响及周围环境的电磁干扰造成 数据上传质量低、 缆线容易出现断裂现象导致数据 中断等问题。 实施方案 ①在破碎机机身安装 AP 通信基站， 将 AP 基站数据接入 4G 基站; ②在梭车驾驶室内安 装 CPE 通信基站， 摄像头固定在梭车一侧， 摄像头 通过网线接入 CPE 通信基站; ③将破碎机处 AP 通 信基站、 梭车 CPE 基站、 摄像头统一规划的 IP 地 址， CPE 与 AP 基站实现无线通讯， 视频即可通过 4G 综合分站进入井下工业环网， 然后传至地面调度 指挥中心［10 ］。 图 4视频上传网络拓扑图 3取得的成效 通过对连采集控系统的应用， 从生产报表中开 机时间、 支护时间、 开机率等数据的观察、 分析， 更清 楚、 详细地了解工作面每台设备的生产运行情况， 从 而提高了设备的有效开机率， 合理组织安排检修、 督 促生产， 减少了人员和资源的浪费， 改善了工人的工 作环境。工作面视频的无线上传， 方便地面人员及 时了解工作面的实际情况。传统的视频上传方式已 无法满足移动的运输和电气设备使用需要， 无线上 传既减少了人工， 减少了员工的劳动强度， 也可减少 因设备行驶过程中不必要的缆线损坏， 减少材料损 耗。目前掘进工作面每部胶带机机头摄像机可视化 已全覆盖， 工作面、 集控室和调度指挥中心均可实时 监控运行情况， 掘进工作面以及沿线的可视可控自 动化管理系统成功将胶带机、 电器设备、 移动设备运 行过程中的 “人 － 机 － 环 － 管” 数据信息相融合， 减 少了人工、 减少了材料损耗、 方便了地面监控、 督促， 真正的将井下 “封闭” 的作业空间全方位 、 “透明化” 的呈现在眼前。 4结语 大柳塔煤矿七支连采队都已实现了全系统自动 化控制的目的。通过搭建井下自动化环网， 对连采 集控设备进行自动化改造， 借助上位机自动化控制 平台， 实现大柳塔煤矿连采工作面全系统的自动化 监测和控制， 达到 “减员增效、 智能化生产” 的目的。 为此大柳塔煤矿还将继续对海量数据工程及自动化 新功能进行二次开发， 不断地对设备的辅助决策、 健 康诊断及关联数据分析等功能再提升开发， 继续挖 掘、 发现掘进系统设备中有价值的信息， 进一步提高 掘进工作面生产组织和设备运行效率， 使连采工作 面生产更加 “透明化” ， 为建成世界一流矿井而不懈 努力。 参考文献 ［ 1］ 孙继平． 煤矿信息化自动化新技术与发展［ J］ ． 煤 炭科学技术， 2016， 44 1 19－23， 83． ［ 2］ 谈美娜． 科技创新成为大柳塔煤矿领先发展的新 引擎［ J］ ． 陕西煤炭， 2016， 35 S1 1－4． ［ 3］ 刘志辉． 浅谈区域自动化控制系统在神东矿区的 应用［ J］ ． 信息化建设， 2016， 19 9 8－9． 上转第 162 页 381第 3期白茹玺李继军任文清大柳塔煤矿连采工作面 “透明化” 生产的设计与应用 进行填充 ［10 ］。储能器主要是为了削减因泵、 卸载阀 等部分而带来的压力脉动、 滤波峰值， 起到稳定系统 压力作用; 同时乳化泵的储能器能在卸载阀卸载时， 利用压缩皮囊储存的压力为系统提供短暂的液压 能， 有效地填补了卸载时间内液压能， 避免了卸载阀 频繁动作。 2． 6电控系统 电控系统由 1 个主站和 9 个分站组成， 主站控 制器选用 BECKHOFF CX8080， 分站控制器采用 BECKHOFF BX5100， 主站与各分站之间通过 CAN- BUS 总线进行通信， 变频器与主站之间通过 CAN- BUS 总线通信， 均采用 CANOPEN 协议。3 台乳化 泵采用变频控制， 且变频器采用 1 拖 3 结构; 喷雾 泵、 增压泵、 配比泵和循环泵均采用组合开关控 制 ［11 ］。乳化液泵采用全变频方式， 主要是考虑在综 采工作面采煤机割煤过程中支架用液具有间断性、 支架各动作用液相差较大等不利因素， 实现泵站输 出的供液量与支架需求量有效跟随， 具有动态响应 快， 压力波动低和节能等优点 ［12 ］。 3结语 该成套乳化液泵站是在高起点、 高标准基础上， 总结现有进口泵站和国产泵站的优缺点， 不断优化， 最终成功开发并应用于神东矿区井下综采工作面。 井下工业性实践证明， 该国产成套大流量乳化液泵 站能够满足综采工作面液压支架的用液需求， 具有 故障率低、 噪声低、 设备维护保养简单方便、 运行稳 定可靠等优点。运行中虽然暴露一些问题， 但瑕不 掩瑜， 通过矿方与厂家通力合作最终将存在的问题 逐步解决。总体上该成套乳化液泵站设计是成功 的， 能够满足综采工作面的用液需求。该套泵站的 成功开发， 加强了各主导产业的通力合作， 为后续国 产采煤装备开发和国产化改造提供了有力支撑。总 结首套泵站在井下使用过程中存在的问题并不断完 善， 使其在综采工作面中能发挥最大作用， 在神东矿 区推广使用。 参考文献 ［ 1］王国法， 庞义辉， 徐亚军， 等． 综采成套技术与装 备系统集成［ M］ ． 北京 煤炭工业出版社， 2016． ［ 2］何文磊． 乳化液泵加载测试技术的应用［ J］ ． 煤炭 科学技术， 2015， 43 S2 121－123， 127． ［ 3］徐涛． KAMAT 泵站机械原理及维护保养［J］ ． 陕 西煤炭， 2019， 38 6 170－173． ［ 4］叶健． 乳化液泵站 ＲMI 与 KAMAT 比较分析［ J］ ． 工矿自动化， 2019， 45 3 41－44． ［ 5］康锦涛． KAMAT 和 ＲMI 乳化液泵站介绍与比较 ［ J］ ． 陕西煤炭， 2018， 37 S1 171－173， 189． ［ 6］李然． 大采高工作面高压大流量乳化液泵的研制 及应用［ J］ ． 煤炭科学技术， 2017， 45 12 145－ 149． ［ 7］燕国栋． 矿用乳化液自动配比系统的设计［ J］ ． 机 械管理开发， 2019， 34 1 167－168， 202． ［ 8］柳飞． 综采工作面乳化液泵站回液过滤系统［ J］ ． 科技创新与应用， 2017， 7 23 101－102． ［ 9］田成金． 智能反冲洗高压过滤站的工作原理与控 制模式［ J］ ． 煤矿开采， 2015， 20 6 44－46． ［ 10］ 彭先林， 彭国纯， 兰秋发， 等． 新型乳化泵站液压 系统在青山矿的应用［J］ ． 江西煤炭科技， 2011， 33 1 35－36． ［ 11］ 乔永军． 煤矿用泵站控制系统国产化改造［ J］ ． 陕 西煤炭， 2017， 36 S1 116－119， 125． ［ 12］ 王国法， 李占平． 大采高工作面乳化液泵站变频 驱动方式优化设计［J］ ． 煤炭科学技术， 2014， 42 4 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 66－69． 下接第 183 页 ［ 4］ 王占飞． 区域中央集中自动化控制系统汇报 V5 ［ Ｒ］ ． 榆林 神华神东煤炭集团公司， 2016． ［ 5］ 张登山， 任文清， 梁占泽． 大柳塔煤矿连采设备集 控运行的研究及应用［J］ ． 陕西煤炭， 2016， 35 S1 67－72． ［ 6］ 王平， 谢昊飞， 向敏， 等． 工业以太网技术［M］ ． 北 京 科学出版社， 2007． ［ 7］ 任文清． 基于 PSIMining 区域中央自动化控制技 术的研究与应用 ［ J］ ． 陕西煤炭， 2017， 36 6 19－23． ［ 8］ 周月明． 工控系统中的工业以太网［ J］ ． 科技咨询 导报， 2007， 4 20 30－30． ［ 9］ 邵建． 连采设备视频监控系统的应用及连采工作 面信息化发展的探讨［J］ ． 内燃机与配件， 2018， 39 18 214－216． ［ 10］ 王国法， 王虹， 任怀伟， 等． 智慧煤矿 2025 情景目 标和发展路径 ［ J］ ． 煤炭学报， 2018， 43 2 295－305． ［ 11］ 王金华， 汪有刚， 傅俊皓． 数字矿山关键技术研究 与示范［ J］ ． 煤炭学报， 2016， 41 6 1323－1331． ［ 12］ 毛善君．“高科技煤矿” 信息化建设的战略思考及 关键技术［J］ ． 煤炭学报， 2014， 39 8 1572 － 1583． 261陕西煤炭2020 年