基于煤礦井下綜合機械化采掘設備智能化改造研究

董天勇

（開灤（集團）有限責任公司，河北 唐山 063000）

前言

煤礦井下綜合機械化采掘設備智能系統借助于傳感元器件可以接收、分析、處理采掘作業中的各種數據信息，并且，這種智能系統具有遠程操控功能、可視化功能、智能定位功能以及故障預警與自診斷功能，不僅增強了井下采掘作業的安全性與穩定性，同時，也給煤炭生產企業創造了更多的經濟效益。

1 采掘設備智能系統的主要特點與工作原理

采掘設備智能系統身兼采煤機、掘進機、刮板機等作業機械的功能，通過遠程智能控制可以完成井下掘進、采煤、破碎、運輸等作業流程。工作人員只需要在操作終端，對顯示器各功能鍵進行操控，并且，借助于全景拼接顯示屏幕可以隨時對作業現場的每一道工序進行遠程監控，一旦設備出現運行故障，系統將自動發出故障預警信號，這時，終端操作人員可以及時采取積極有效的應急響應措施，以最大限度的降低安全事故的發生概率[1]。

采掘設備智能系統的遠程控制功能的實現，主要利用非視覺傳感器的定位技術，以及電子測距與測角技術，在實際工作當中，這些技術可以隨時對采掘設備的位姿與角度進行調整，并且調整和糾偏方式可以手動控制、無線遙控、遠程遙控等控制方式中任意選擇，這就給采掘作業的安全性提供了堅實保障。采掘設備智能系統的核心是“三機”協同控制機制，它取代了過去的采煤機、掘進機、刮板機的分項作業功能，將“三機”功能融為一體，使得掘進、割煤、裝煤、運煤等作業流程變得更加快捷、高效，更為重要的是可以在“無人”看守的情況下，自動完成上述作業流程，這就給煤炭生產企業節省了大量的人力資源成本。

2 采掘設備智能系統基本結構組成

采掘設備智能系統主要由三個功能層構成，即主控層、設備層與網絡層，這些功能層具有遠程控制、感知、防撞、定位、遙控、預警、通信與集控功能，專門對井下采掘作業流程進行全方位、全方面控制和管理。

2.1 主控層

顧名思義，主控層相當于整個系統的大腦中樞，專門負責采集生產過程中的各類數據信息，比如掘進深度、推進速度、采煤數量、運輸狀態等，當這些信息匯總之后，主控層可以快速對其進行分析和處理，然后將這些信息轉化成為工作人員可以快速識別出來的文字、圖表、圖像或者視頻的形式，這時，工作人員能夠隨時了解到采掘現場的生產情況。

2.2 設備層

設備層所控制的主要對象是井下的各種作業設備，該功能層實現遠程智能控制主要依賴于各種類型的感知元器件，通過這些元器件，系統的智能監控功能、導航功能才能正常使用。比如監控設備可以將煤巷當中的實時狀態清晰的顯示在終端屏幕上面，并且，無源導航設備能夠對采掘設備進行精準定位，這就大大提升了單位時間內的作業生產效率，并且，掘進精度也得到有效控制。

2.3 網絡層

網絡層主要是在主控層與各種設備之間建立一種通信關聯關系，使主控層與設備層能夠正常完成一些基本的作業流程。如果沒有網絡層，那么，主控層與設備層也無法進入正常的工作運轉狀態，整個采掘流程也將停滯不前。因此，網絡層的數據與信號傳輸功能為井下采掘工作的順利展開提供了強大的技術支撐。

2.4 智能系統的功能分解

采掘設備智能系統的各項功能的實現主要依賴于主控單元，該單元只有采集了相關的作業數據，系統才能執行后續的生產作業指令。比如終端操作人員可以根據系統采集的各類數據編制采掘進度計劃，系統可以結合計劃內容對掘進、采煤等工序進行精準控制。系統的感知功能主要是利用各類感知元器件與影像設備來收集作業過程中的各種數據，并將其直接提供給主控單元。定位功能是事先將采掘設備的走位、位姿、傾斜角度等參量錄入系統當中，然后對采掘設備的工作位置進行精準定位。防撞功能可以收集采掘設備四周的地質信息，當系統獲取這些數據以后，采掘設備能夠規避與巖層相撞的風險。遙控功能主要利用互聯網技術對采掘現場的實際作業情況進行可視化控制。預警功能是系統能夠及時有效的收集采掘作業中的不安全信息，如果巖層出現險情或者設備出現故障，系統將自動發出預警信號，以便于工作人員及時做出應急響應。通信功能主要是各類設備的各部件之間的數據通信，以及設備層與主控層之間的數據傳輸。而集控功能則是借助于實時監控系統，對采掘設備、皮帶機等工作狀態進行遠程監控和操作，工作人員只需要在集控室當中便可以輕松完成現場的各項作業流程[2]。

3 采掘設備智能系統的改造與升級策略

3.1 可視化系統的人性化設計

可視化系統承擔著采掘現場的各種作業流程的圖像顯示功能，而過去的可視化系統只能提供作業現場的平面影像，這種顯示功能的弊端是容易遺漏監控死角，比如采掘現場周邊復雜的地理環境信息，如果這些信息無法顯示出來，現場作業的安全系數也將大幅降低，甚至會引發一些嚴重的安全事故。為此，技術人員應對采掘設備智能系統的可視化功能進行改造升級，在多畫面切換功能、畫面定位導航功能的基礎上，增加三維空間建模功能，這一功能可以對采掘現場周邊的地理環境信息進行實時監控，并通過3D 建模的方式呈現在終端操作人員面前，這種空間的即視感能夠幫助操作人員準確的識別出采掘現場的地理環境信息，尤其是采掘設備各種行進、采掘線路，能夠一目了然的顯示在終端屏幕上面，這對終端操作人員的可視化操控將提供更多的方便條件。

3.2 使用權限功能改造

過去，采掘設備智能系統的站控層并未限制使用權限，無論是操作人員、管理人員還是外來人員都可以上機操作，這種使用權限寬泛性給采掘作業埋下了重大的安全隱患。因此，為了保障采掘現場的作業安全，技術人員應當針對不同的“角色”，分別設置使用權限，如果工作人員上機操作，則必須事先輸入相關的操作口令，才能執行相應的操作程序。比如管理人員具有可視化系統的操作權限，在輸入權限操作口令之后，才能登錄到可視化系統界面。而其它外來人員則無法上機操作，這種操作模式既可以避免誤操作現象的發生，同時，也能夠保障現場作業人員的人身安全[3]。

3.3 完善數據存儲與記錄功能

采掘設備智能系統具有數據采集、分析、處理功能，而在實際生產過程中將產生大量的數據，如果存儲功能與系統的數據記錄功能不完善，將極易丟失一些重要的數據信息，比如采掘設備在運行過程中出現故障，系統在記錄這一事件時，只是記錄了故障類型，卻沒有記錄下故障發生的時間、同一故障發生的時間間隔、故障的具體位置等信息，這就給后續的維護保養工作增加了難度，進而使采掘設備的使用壽命受到嚴重影響。為此，技術人員應當根據大數據技術，對系統的數據存儲與記錄功能進一步予以優化和改進，在提高數據庫存儲能力的同時，能夠形成一個清晰、完整的數據信息記錄。

結語

煤礦井下綜合機械化采掘設備智能系統的改造升級是工業現代化快速發展的必然趨勢，在采掘設備智能化、自動化水平不斷提升的背景下，煤礦井下的采掘作業效率顯著提升，安全事故的發生概率也逐漸降低，這不僅使煤炭生產企業實現了經濟效益與社會效益的雙贏目標，同時，也為我國工業的蓬勃發展注入了源源不斷的驅動力。