黃陵礦智能生產系統改造設計

任興懷

(陜西黃陵二號煤礦有限公司,陜西 延安 727307)

0 引言

新型基礎設施建設是指以網絡化、數字化、智能化為核心的基礎設施建設,是發力于科技端的基礎設施建設,將為我國傳統產業的轉型升級帶來重大機遇[1-4]。新基建是指在煤礦中應用5G、數據中心、人工智能和工業互聯網等新技術進行所需的數字基礎設施建設[5-7]。煤礦的“新基建”不僅指傳統的先進通信網絡、數據中心等信息基礎設施,還包括大數據服務、云計算服務、物聯網和工業互聯網平臺,以及智能傳感器、煤炭機器人等智能設備,為煤礦智能化建設奠定基礎[8-11]。

智能煤礦是高科技采礦的具體體現,是“智慧中國”的組成部分,是確保煤礦安全生產、減員增效的重要舉措[12-13]。因此,加快中國智能礦山建設,實現煤炭行業現代化管理,是確保煤炭行業平穩安全發展的必由之路,也是改變煤炭行業形象的必由之路[14-16]。

1 原有生產系統

原有生產系統在智能開采管控、采煤機控制、智能探測、大數據統計與故障診斷這4個方面存在問題,如,原有生產系統無法透明化工作面實施智能開采,同時對于監測到的海量數據無法進行有效的存儲和處理。原有生產系統無法實施遠程控制,自動化程度較低,需要井下人為控制,效率較低且危險性較高。原有煤巖探測系統為接觸式,需要打鉆孔進行探測,操作復雜。無法實時分析數據。工作面采煤過程中的支架高度、壓力、采煤機運行軌跡之間有一個最優的匹配性,而原有數據分析系統無法進行自動分析,使其之間達到最優的匹配性。原有系統無法實現機器的實時故障診斷。

2 改造方案

系統在黃陵礦原有智能工作面基礎上進行升級改造,構建基于GIS的透明化工作面智能開采管控平臺,建立高精度的透明化綜采工作面,應用大數據分析,集成工作面成套智能化裝備的實時數據、慣導系統定位信息,分析設備故障,利用人工測量及傳感器實時數據動態修正工作面地質體和煤巖層數據模型,為工作面成套裝備提供采煤截割線、直線度基線、俯仰采基線,指導工作面裝備在復雜地質條件下的少人或無人開采,從而達到安全管控的目的。

2.1 基于TGIS的智能開采管控平臺

地質模型由鉆井、地球物理勘探和日常生產中獲得的真實數據構建和動態修改。開采模型如圖1所示。

圖1 開采模型Fig.1 Mining model

通過數據處理和推理,由小的或非常小的基本地質單元組成的地質模型,可以更好地反映地質模型的空間分布細節,并提供地質模型在地質環境中的操作和分析功能。高精度地質模型應該由一系列子模型組成,這些子模型是根據不同地質模型(如地層和斷層)的不同特性而專門設計的。建立高精度地質模型的過程如圖2所示。

圖2 高精度地質建模流程Fig.2 Process of high-precision geological modeling

2.2 采煤機控制系統

在采煤機電控箱體內配置礦用無線轉發器(5G CPE)和智能控制模塊,通過5G網絡實現采煤機信號(包括機載高清視頻、傳感器中心、參數控制)到地面控制室(或溜槽控制中心)的傳輸;地面遠程控制臺和采煤機控制箱配備了礦井無線中繼器(5G CPE)和智能控制模塊,以實現地面控制室(順槽集控中心)與采煤機的5G通信交互,通信網絡如圖3所示。

圖3 智能采煤工作面5G通信網絡Fig.3 5G communication network of intelligent coal mining working face

內置的礦用無線轉發器(5G CPE)引出天線,使用尼龍保護套進行保護,并垂直安裝于電控箱或變頻箱前方檐下,避免復雜環境損壞天線,同時保障信號傳輸質量。

自動化系統包含了記憶截割套件,在傳感器系統的支持下,實現采煤機記憶截割自動運行。其支持的模式有:人工操作模式,學習記憶模式,自動重復操作(記憶或仿型截割)模式,自動過程的人工干預狀態、在線學習(修改)狀態保護模式等。采煤機進入學習模式,手動操作采煤作為示范刀(或參考刀),控制系統收集并存儲采煤機每個位置的行駛方向、速度、左右搖臂高度等姿態信息。

用于采集煤機精確位置的慣導系統裝置固定在采煤機機身中部,實時獲取煤機的姿態角(歐拉角)和采煤機位置大地坐標,從而實現對采煤機的絕對定姿、定位和與三維地質模型的耦合,并實現智能控制平臺實時展示組合定位裝置和采煤機信息。在自動操作模式下,采煤機根據高精度地質模型生成的切割線自動切割煤炭。當煤層條件發生重大變化時,可就地或遠程干預。

2.3 煤巖智能探測系統

煤巖智能檢測系統采用非接觸式喇叭天線,可實時動態獲取1 m范圍內的煤巖界面信息或識別采煤機的切割狀態(煤切割/巖石切割),從而有效制定滾筒高度調整策略,為實現礦井智能化開采提供技術支持。

煤巖智能探測系統與采煤機高度集成。系統為單通道系統,天線體內部有1對收發天線、1個采集卡、1個無線網卡和1個控制單元,結構如圖4所示。單通道系統完成數據采集和處理、識別后,通過無線網卡與采煤機建立通信,并將探測結果和位置信息傳輸給采煤機系統。

圖4 礦井煤巖智能探測系統結構Fig.4 Structure of intelligent coal-rock detecting system

針對綜采面環境和割煤機條件,為實現對當前切割面頂板煤巖界面、下一切割面頂板煤巖界面的探測和識別,探測方案如圖5所示。

圖5 礦井煤巖智能探測系統示意Fig.5 Diagram of intelligent coal-rock detecting system

系統分析礦區煤巖的物性參數,通過對煤巖層位的快速實時跟蹤與自動識別算法,實現煤巖界面智能識別功能。根據天線的位置參數信息,建立雷達天線與煤巖層位投影關系模型,應用煤巖層位的信息提取技術,實現位置數據與煤層高度數據的關聯匹配。輸出結果的所有高度坐標的零點以采煤機底部刮板機所在平面為準,流程如圖6所示。

圖6 煤巖智能識別處理流程Fig.6 Processing of intelligent coal-rock identification

2.4 數據統計與故障診斷

系統通過對工作面液壓支架高度、壓力及傾角、采煤機運行軌跡及推進速度、運輸機負載等設備運行數據的實時監測,通過系統大數據后臺分析,能夠自動優化采煤工藝,使設備間運轉達到高質量的匹配性。智能設備故障診斷功能,采煤機的通信故障、液壓支架故障診斷:包括程序丟失、參數錯誤、輸入錯誤、輸出錯誤、通信錯誤、人機交互錯誤和安全操作裝置故障。采集數據的故障診斷和超范圍報警;定值報警等輸送機故障報警;檢測設備各減速器、電機的溫度、壓力、流量、排量、轉速等參數,并對這些參數進行分析處理,實現設備運行數據的實時顯示、報警和傳輸。

3 智能煤礦生產系統效果分析

綜采工作面智能化基于時態地理信息系統(TGIS)的透明化工作面智能開采關鍵技術,設計實現“監控實時化、系統集成化、數據海量化、控制協同化和決策在線化”的智能開采管控一體化、可視化行業標準和軟硬件系統體系架構;建立以高精度透明化工作面智能管控中心為大腦、采支運設備為軀干、煤巖識別及輔助巡檢裝置為眼睛、通信協議為神經網絡的智能開采可視化管控平臺。

3.1 智能管控平臺

基于透明化工作面的智能開采管控平臺的智能控制功能具有通用配置軟件的配置、設置等功能,實現大型地下設備二維、三維可視化的集中監控、多場景自動切換、報警值設置、控制邏輯設置、參數設置、報警與控制聯動等。三維可視化如圖7所示。

圖7 三維可視化Fig.7 Three dimensional visualization

3.2 采煤機控制系統

基于工作面千兆工業以太環網及5G網絡的信息傳輸,保障了管控平臺與工作面成套裝備的數據采集和交互,滿足地面控制平臺與工作面成套裝備的監控延時不大于10 ms。實現對綜采工作面采煤機、可視化顯示和控制組合開關等設備的運行參數和狀態,并提供實時歷史曲線、實時值顯示、故障報警、報表統計等功能。

3.3 煤巖探測系統

基于鉆探、地球物理勘探、上下槽和切割孔獲得的地質信息,建立了初始的高精度三維地質模型。不僅描述了煤層的起伏,展現頂板壓力等信息,而且能夠充分掌握開采過程中的煤層形態、地質構造、巖石力學特性和機電設備位置及姿態等。透明工作面與采礦設備建立了統一的坐標系,為智能采礦中采煤機的高度調整和采礦設備矯直提供了基礎數據。

3.4 大數據統計與故障診斷

構建基于三維透明化礦井的智能開采與安全管控平臺,建立高精度的綜采工作面,集成工作面成套裝備的高精度定位數據(絕對位置信息)、智能巡檢信息、視頻及工作面煤巖層實時識別數據等,動態修正工作面地質體和煤巖層三維模型,為工作面成套裝備提供采煤截割線、直線度基線、俯仰采基線,實現對綜采工作面設備的監測和控制,指導工作面設備的智能開采;建立透明化礦井,實現礦井遠程巡查和決策支持,達到少人和安全管控的目的。

4 結論

(1)構建基于TGIS的智能開采管控平臺、采煤機控制系統、煤巖智能探測系統、智能化工作面采煤工藝大數據統計與故障診斷平臺。

(2)建立以高精度透明化工作面智能管控中心為大腦、采支運設備為軀干、煤巖識別及輔助巡檢裝置為眼睛、通信協議為神經網絡的智能開采可視化管控平臺。

(3)改進后的系統實現了智能采礦管控、可視化行業標準與“實時監控、系統集成、海量數據、控制協同、在線決策”軟硬件系統架構的融合。