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塔山矿井综合自动化系统技术方案 第六章 综采工作面控制系统 一、天玛公司介绍 北京天地玛珂电液控制系统有限公司（简称天玛公司）是天地科技股份有限公司（简称天地科技）与德国Marco系统分析与开发有限公司（简称Marco公司）合资经营的以液压支架电液控制系统的研究开发、生产、销售和相关技术服务为主业的专业自动化公司。公司现有员工40多人，其中博士2人、硕士9人、大学本科12人，这些技术人员具有长期进行煤矿电子自动化、液压技术研究的专业基础和开发经验。天玛公司通过了ISO90012000版的质量体系认证。 德国Marco公司（总部在德国慕尼黑）是专门从事液压支架电液控制系统研发和生产经营的高科技专业公司，具有20多年的历史，是国际市场3大液压支架电液控制系统供应商之一，在德国占有80以上的市场份额，技术水平处于国际领先地位。 天玛公司的主导产品PM31型液压支架电液控制系统在引进德国Marco公司的成熟技术的基础上，结合我国煤矿的技术条件进行了改进提高，使得该系统适合在我国的煤矿推广应用。目前，该系统已经有3个工作面分别成功应用于兖州矿业集团和开滦矿业集团。 公司还有KS2液压支架快速移架系统、KGJ-B型综采工作面综合监测系统、手动液压支架操作系统、综采工作面喷雾系统等相关技术和产品。 二、系统目标 系统目标是实现综采工作面生产过程自动化，以减轻劳动强度、提高生产效率；实现对主要生产设备工况的实时在线监测、及时发现故障隐患、及时采取措施避免设备损坏，提高设备正常率和开机率；将工作面的相关信息及时传输到地面，并通过计算机网络实现共享，达到生产管理网络信息化。 1、 实现工作面生产自动化 1.1实现顺槽集中控制 通过顺槽控制台能够实现工作面设备的集中控制。在控制台的一台计算机上，可以实现对工作面所有生产设备的全面控制，包括启动工作面生产自动控制程序、实现设备自动化运行。在控制台上对工作面生产设备的控制功能有 u 单设备启停，包括运输设备和采煤机 u 顺序开机 u 顺序停机 u 启停跟机（采煤机）自动化 u 语音通讯 u 启停生产自动程序。 1.2实现工作面内运输能力和落煤量的自动匹配 根据刮板机、转载机的负荷量自动调整采煤机的牵引速度以调整落煤量，实现采煤生产的良性运行。 1.3实现根据煤仓仓位对生产设备的自动控制 根据煤仓的煤位自动控制刮板机、采煤机运行过程，以防止煤仓满仓后仍继续生产的情况，防止运输设备负载启动。 1.4实现泵站的自动控制 根据工作面的生产需要,自动控制乳化液泵的工作模式、自动补充乳化液（包括自动配比控制）和自动控制清水泵的启停。 2在线监测工作面状态 在线监测主要生产设备的工作电流、电压、功率,包括采煤机、转载机、破碎机、刮板机。 三、 控制系统结构方案 综采工作面控制系统只考虑最下两层即自动化层和现场层，最上层管理层在矿井综合自动化系统中考虑。 1系统网络结构 系统网络结构如下图。 1.1自动化层 自动化层为3台主控计算机相互联结，并且向上与矿井综合自动化系统相连（用TCP/IP协议），向下与现场层设备相连（用串行Modbus协议）。3台主控计算机为井下本质安全型计算机，为提高系统的可靠性，可以考虑设立备份机。 将控制系统井下监控主机、备份机一起安装在井下控制台的设备列车上，整个控制系统井下监控主机与各子系统主机的连接可在几十米的范围内高速、可靠的连接，提高了系统的可靠性、实时性和安全性。 本层主要是监测控制主机与矿井综合自动化之间提供接口，电液控制主机与工作面监控主机、工作面通讯控制器之间提供接口，采用TCP/IP连接，用来传递监测控制数据。 工作面自动监控设置1台主机，电液控制设置1台主机，工作面通讯控制设置1台主机，分别用来显示工作面环境信息、采煤机信息、运输设备信息、电液压支架信息，控制工作面生产设备，人工语音通讯等。 AutoFace3 TK210 PM31 监测工作面 设备状况 控制工作面 设备运行 监测工作面 电液支架状况 自动化层各主控机之间及与矿井综合自动化系统之间关系 手动控制/自动控制 顺序开机 顺序停机 跟机自动 前台监测整个工作面状况 后台控制 控制参数配置 前台监测电液支架状况 后台控制跟机自动化 控制参数配置 交换机 矿井综合自动化系统 光纤 1.2现场层 现场控制子系统适合用现场总线控制系统进行集成，其上位机接口统一采用MODBUS总线接口。 本系统将现场总线技术引入到煤矿设备控制系统中来，实现与国际水平接轨。本层网络是整个控制系统的关键控制层，采用MODBUS现场总线将井下监测控制主机与子系统串行相连，构成现场总线监控网络。 2 控制网络主要技术指标 2.1控制系统 控制系统的总响应时间为１秒，即在传感器数据到达各子系统后，１秒钟之内就可被系统采集。 一个控制功能的执行时间，是从传感器采集到数据变化开始，到控制功能的执行机构执行为止。由于各个子系统的响应时间不同，所以对不同的控制功能，其执行时间也不相同。但作为整个控制网络系统，由于控制功能的优先级高，从采集子系统数据、控制算法实现到控制指令发送，可在１秒钟内完成。 2.2自动化层 u 传输介质光纤/双绞线 u 物理接口以太网 u 传输速率10Mbps u 通讯协议TCP/IP 2.3现场监控层 u 传输介质两对双绞线 u 物理接口RS422 u 通讯速率19.2kbps u 通讯协议MODBUS/RTU 3监控子系统 下面分别介绍各个子系统的组成及提供和接受的数据。 3.1生产监控子系统 生产监控子系统包括采煤机和电液控制系统。采煤机监控子系统通过采煤机机载计算机相连，调制解调器通过采煤机馈电电缆内的控制总线和接地线传输信息，MODBUS为通讯协议向上位机提供数据。 本控制系统井下主机作为MODBUS主控制器，对作为从控制器的采煤机控制计算机（从控制器）进行巡检，可以监测和控制以下主要信息 u 采煤机运行信息位置、方向、速度等 u 各电机的负荷情况 u 各部件温度信息 u 各部件报警信息 u 各部件保护信息 u 通过控制牵引电机变频器调整煤机行进速度 u 控制采煤机闭锁 3.2运输监控子系统 本子系统完成对破碎机、刮板机和转载机各个电机的馈电控制，可对所控电机的电压、电流和负荷情况进行实时监测，可实现以下信号的监测 u 破碎机电机的电压、电流、负荷 u 转载机高速、低速电机的电压、电流、负荷 u 刮板机机头、机尾高速低速电机的电压、电流、负荷。 3.3环境监测子系统 本子系统可完成 u 报警设备启动前，以及各种故障时进行报警，报警时间的长短及是否采用语言报警可以通过参数设定。 u 将工作面各设备工作状态和参数传输给井上，在井上计算机进行显示。 u 乳化液泵站和清水泵站的自动控制。 u 监测煤仓料位信息。 3个子系统之间的关系如下 环境监测子系统 生产监控子系统 运输监控子系统 综采工作面控制系统各子系统之间关系 正常 环境状况 不正常 正常 运输状况 不正常 四、系统功能及其实现 1工作面顺槽控制功能 通过本系统的实施，实现在顺槽对工作面的生产进行自动控制，表现在以下几个主要方面 1.1工作面顺序启动 通过操作通讯控制计算机，发出工作面启动命令给通讯控制子系统，实现工作面的顺序启动。其启动顺序如下破碎机-转载机-刮板机-采煤机。 1.2工作面顺序停机 停机顺序如下采煤机-刮板机-转载机-破碎机。 1.3工作面设备闭锁逻辑 工作面内单台设备闭锁时，根据煤流方向，自动实现逻辑闭锁。该项功能由通讯控制子系统和电液控制子系统在自动监控主机的协调下自动完成，其闭锁逻辑如下 采煤机 刮板机 转载机 破碎机 采煤机 刮板机 ▼ 转载机 ▼ ▼ 破碎机 ▼ ▼ ▼ 1.4支架跟机自动化 由采煤机监控子系统的计算机将采煤机的位置、方向、速度等信息传给电液控制主机，根据采煤工艺的要求，电液控制系统监控主机自动向支架控制器发出控制指令，执行相应的自动动作。 1.5满仓控制 根据煤仓的煤位自动控制采煤过程。当煤仓的煤位到达特定的位置时，系统就会向工作面下达指令，停止采煤机的推进，暂停煤炭生产，而刮板机继续运行，当煤仓的煤位到达满仓位置时，系统即将刮板机停下来，这样面内刮板机上就没有了煤炭，胶带输送机上也不会满载，为下次顺利启动奠定基础，可以避免压死输送机的情况出现，提高生产效率，同时可以有效地保护设备，提高设备的使用寿命。当煤仓出煤后，煤位到达可以开始生产的位置后系统会自动按顺序和程序启动生产设备开始生产。 1.6负荷控制 根据刮板机的负荷量自动调整采煤机的牵引速度以调整落煤量。当刮板机的负荷超载时系统能及时降低采煤机的牵引速度以减少落煤量，反之可适当提高采煤机的牵引速度，以达到设备工作在高效、安全的状态。 2工作面设备监测控制功能 通过本系统的实施，实现对工作面单台设备的自动控制功能和设备运行状态信息、设备运行工况信息、设备故障诊断信息的连续在线实时监测，系统对各个生产设备的监测情况如下。 2.1采煤机 通过本系统可对采煤机进行如下控制功能 u 闭锁采煤机 u 降低采煤机行进速度 监测如下信息 u 位置、方向、速度信息 u 煤机总电压、电流、负荷 u 各个电机的电压、电流、负荷 u 各个电机温度 u 各个电机的保护信息 u 各个电机的过载信息 u 运行时间统计 2.2刮板机 通过本系统可对前部刮板机进行如下控制功能 u 开启、关闭、闭锁 监测如下信息 u 各个高低速电机的电压、电流、负荷 u 运行时间统计 2.3转载机 通过本系统可对转载机进行如下控制功能 u 开启、关闭、闭锁 监测如下信息 u 电机的电压、电流、负荷 u 运行时间统计 2.4破碎机 通过本系统可对破碎机进行如下控制功能 u 开启、关闭、闭锁 监测如下信息 u 电机的电压、电流、负荷、过载 u 运行时间统计 2.5泵站系统 对乳化液泵和清水泵进行如下控制 u 启动、停止 u 乳化液自动配比 u 乳化液、清水泵箱自动补液 u 自动控制乳化液泵过压卸载溢流 监测如下信息 u 乳化液箱液位 u 清水箱水位 u 泵站出口压力 3监测内容显示 本系统监控主机对上述监测控制内容进行分类整理，以动画、图形等直观方式进行分屏显示。下图为工作面信息显示画面设计概况。 工作面状态监测信息图1 六 控制系统软件 1软件功能 控制系统软件作是实现系统中目标所必须的重要的一个人机接口，它担负着数据采集、通信、计算、存储、显示、分析、报表、网络发布及监控逻辑的定制、控制设备动作等重要任务，是监控系统实时监测与控制的中枢。 监控系统软件包括为相应计算机选择特定的操作系统软件、选择图形化的工控人机界面软件支撑环境或通用软件开发工具、绘制监测目标的图形表示符号、定制相应设备的监测控制逻辑、定义数据存储结构、创建数据分析（故障预测诊断）模型等。 监控系统软件运行中流程控制及数据交换的基本流程是设备工况监测主站软件循环检测其下属各分站，采集设备工况数据，并实时地更新MODIBUS SLAVE站的数据缓冲区，设备工况监测主站中的MODIBUS SLAVE站由软件模拟实现。井下监控主机通过MODBUS协议按照指定的不同SLAVE站的级别循环检测主控机各子系统的MODBUS SLAVE站的数据缓冲区，取得实时检测结果用组态图形表示。 2操作系统平台 选择目前市场上获得的运行最稳定的操作系统，同时兼顾系统对图形系统的要求、对网络控制的要求以及对数据库等外围组件的要求，选择Windows 2000 professional 作为监测工控计算机的操作系统平台。 选择Windows 2000 Professional不但满足最初制定的监控系统软件设计的一些原则，同时由于多数开发人员具有Windows开发的经验、煤矿现场系统维护人员也有丰富的Windows使用经验，有利于系统的应用。 3人机界面系统软件 采用集成人机界面系统结合系统自身的脚本控制语言实现。 这种方法的优点是，生成系统组态界面快捷、方便，对开发人员没有太高的要求。系统提供多种图形库、工具，因此组态效果更好。由于，这些著名的人机界面系统经过多年的开发、使用，系统已非常稳固、可靠。同时，这些系统还提供多种组件，自动实现数据库存储、趋势分析、数据发布等功能，很少的开发工作就可实现完整的分布式网络应用方案。这种方法的确定是对计算机系统资源要求较高，数据后期处理不够灵活。 工作面的运行环境和地面的开发运行都是工业组态软件iFIX。它是新一代的工业自动化软件系统，是第一套全集成的、开放的、真正基于组件技术的自动化产品家族，提供了目前工业界最强有力的、最完整的自动化解决方案。iFIX家族包括各种高性能的软件组件，它集成了COM/DCOM、OPC、VBA、ActiveX等最先进的现代软件技术，使所有的应用组件都可以无缝集成到一个系统中去，并且可以很方便地在网络上共享数据。 下图是控制系统软件自动控制结构流程图。 七、设备清单 序号 名 称 规格型号 单位 数量 生产厂家 使用寿命 说明 1 软件 监控系统软件包 AutoFace 套 1 天地天玛 2 iFIX组态开发运行版 300点 套 1 天地天玛 开发运行 3 工作面监控主机操作系统 Windows2K Professional 套 1 天地天玛 4 监测控制设施 井下监控主机 AutoFace3 台 1 天地天玛 5年 5 与采煤机的通讯接口 台 1 天地天玛 5年 获取采煤机的工作电流、位置及其它工作状态信息 6 与支架电液控制系统接口 台 1 天地天玛 5年 7 与运输设备开关接口 台 1 天地天玛 5年 获取刮板机、转载机、破碎机的工作电流及其它工作状态信息，根据运输设备的能力自动调节工作面内的煤炭生产能力。 8 泵站自动控制系统及其接口 台 1 天地天玛 5年 提供卸载阀的开启控制信息，监测泵站出口压力、主管路压力。 9 皮带机尾自移系统接口 台 1 天地天玛 5年 10 通讯控制器 TK200 台 1 天地天玛 5年 控制刮板机、转载机、破碎机和采煤机，语音通讯 11 与煤仓料位信息接口 台 天地天玛 5年 12 与矿井自动化系统接口 台 1 天地天玛 5年 利用矿上现有电缆 说明以上配置为1个工作面。 66