综采工作面智能化技术交流课件

综采工作面智能化技术交流

2020年7月

1自动化智能化发展及必要性23自动化智能化基本组成及原理5淮北自动化的特点存在的问题及下一步研究方向4自动化设计及其使用维护一、自动化智能化发展及必要性1、煤炭开采技术的发展阶段第一阶段爆破采煤60年代至70年代第二阶段普通机械化采煤70年代后期到80年代中期第三阶段综合机械化采煤阶段90年代开始第四阶段自动化及智能化采煤2010年至今第五阶段新一代采煤方式（化学采煤）未来自动化发展及必要性

总体而言，目前国内采煤方式基本实现了落后采煤方式向综合机械化采煤方式转化，部分大型矿务局正在尝试由综合机械化向自动化采煤方式过渡。2、煤炭开采技术的发展阶段落后采煤工艺自动化采煤方式综合机械化采煤目前所处阶段部分企业，过渡阶段自动化发展及必要性社会发展、科技发展：我国正处于转型升级和结构调整的关键时期，在新兴网络技术和传统工业深度融合的新形势下，各个行业正迎来产业的巨大变革，其中以智能化技术与传统成套装备的融合实现产业转型升级正成为越来越重要的发展趋势3、发展的必要性安全需要：煤炭开采产业由于安全、环境等因素的影响，对智能技术与装备的需求尤为迫切，因此，发展以实现无人化开采为目标的智能技术与装备对我国煤炭开采产业的发展具有重要意义自动化发展及必要性招工困难：目前煤矿井下一线人员年龄几乎在40岁以上，而且工作环境艰苦，劳动强度大，加上目前90后的生活环境较为优越，因此很难招工；只有改善劳动环境，减少一线人员，增加收入。3、发展的必要性资源共享：采集数据、分析数据，使数据共享，达到相互学习、共同进步。自动化发展及必要性二、自动化基本组成及原理1、自动化组成自动化基本组成及原理1、自动化组成系统由三大部分组成，分别是采面设备、集控、井上监控组成。采面设备：由采煤机、供电系统、供液系统、液压支架及控制、

采面运输、视频等组成；主要对采、运、支具体控制；集控：由三大主机（视频、数据、备用）、各客户端以及综合接入器

组成；主要对系统集成、集中控制与监视，建立运行控制模型

，调整控制状态。

井上监控：由服务器、云平台服务器、客户端、移动客户端等组成。

主要建立数据仓库、故障库、分析监测，互联网传输。自动化基本组成及原理2、自动化原理自动化基本组成及原理2、自动化原理

数据主机和备用主机同时采集支架数据、采煤机数据、供电系统数据、供液系统数据、运输系统数据、操作键盘数据。数据主机和备用数据主机之间具有相互通讯，用于检测运行是否正常，如果数据主机正常，则客户端和井上数据传输以及控制由数据主机执行，如果数据主机运行不正常，则客户端和井上数据传输以及控制由数据备用主机执行。

视频主机采集采面所有视频，建立视频缓冲区，所有客户端需要访问采面视频的均访问视频缓冲区内的视频自动化基本组成及原理三、淮北自动的特点

淮北自动化的特点顶底板破碎

进行即时护顶、护帮、三带移架。煤层变化大

采高变化较大、而且经常存在仰采和府采。局部断层

经常存在采面局部全岩情况。有较大倾角

有的采面存在20度以上的倾角。淮北自动化特点四、自动化设计及其使用维护1、系统组成及功能设计自动化由三大部分组成：采面设备、集控中心、井上监控组成1）、采面设备

自动化设计及使用维护1、系统组成及功能设计顺槽集控系统所有设备的监测、控制中心，是整个自动化工作面的核心设备。01采煤机监控系统实现监测采煤机实时姿态并进行远程控制。02支架电液控制系统监测支架实时姿态并根据系统要求实时控制支架动作03运输监控系统包括对刮板机、转载机、皮带运输机的监测与控制。04视频监控系统（网络系统）视频监控直观反映现场情况，辅助远程控制05供液系统提供液压支架压力以及喷雾、冷却。06自动化设计及使用维护1、系统组成及功能设计-电液控制系统阀组传感器驱动器耦合器本安电源控制器无线电缆数据转换自动化设计及使用维护1、系统组成及功能设计-电液控制系统

功能：支架电液控制系统主要是采集传感器数据、接收集控台或者控制器之间的命令控制支架动作，检测工作面支架控制系统之间的通讯故障、急停闭锁等状态，同时不断的向控制台发送传感器和状态数据。组成：该系统主要电控、液控、位置定位、支架遥控、传感器组成。电控：由支架控制器、隔爆兼本安型电源、驱动器、隔离器及相应电缆组成；液控：由换向主阀、电磁先导阀以及辅助罚组成；位置定位：由红外发射器、红外接收器及相应电缆组成；支架遥控：由无线收发器、支架遥控器及相应电缆组成；传感器：由压力传感器、行程传感器、红外接收传感器、测距传感器、倾角传感器、接近开关及相应电缆组成。自动化设计及使用维护1、系统组成及功能设计-电液控制系统自动化设计及使用维护1、系统组成及功能设计-电液控制系统

a）概述

支架控制器采用了当今广泛使用的CANBUS现场总线技术、计算机通信技术、现代传感及电子技术，结合了隔爆、本安等多种防爆标准在煤矿电气设备中的应用，是目前煤矿井下较为先进的非主--从机型的全中文显示控制器。它是整个支架控制的核心，在支架控制中，相当人的大脑，主要完成传感器数据采集、处理、分析，以及接收、发送、分析命令、同时结合参数向电磁先导阀给出相应的动作。支架控制设计考虑到了以下特点●多种类型传感器接入；传感器接口有电压型、电流以及数字型。●扩展方便；扩展接口有CAN接口、RS485接口，接口可以进行选择。●冗余设计；采用有线与无线冗余设计。●操作方式多样化；控制器操作面板上能够操作、遥控器上能够操作，可以进行邻架操作、也可进行隔架操作。●简洁性设计；采用外接驱动器方式，可以使阀组与控制器相距较远，采用扩展接口方式，可以使传感器布线更简洁。

●非主从式设计；所有的控制器既是主机也是从机。自动化设计及使用维护1、系统组成及功能设计-电液控制系统

b）设计功能

●电液控需具备独立的系统使用；在自动化无法运行时、或者电液控部分故障时，正常的电液控操作仍能很好的进行。●电液控具有自我诊断功能；能够自我诊断故障所在，给检修者一定的提示，方便检修；●数据采集和传输功能；能够采集传感器、将信息和指令进行传输。●执行功能；接受指令及信息数据，进行分析，执行相应动作。●单架功能；邻架、隔架、计算机远程控制功能。●成组功能；以工作面的任何一个支架为操作架，向左或向右连续相邻的若干个支架为一组，执行支架的某一单动作或联合动作。●遥控功能。自动化设计及使用维护1、系统组成及功能设计-电液控制系统●自动化功能►自动补液功能；电液控制系统具备支架初撑力自动连续补偿功能,当立柱下腔压力降至某一设定值时，支架控制器会自动执行升柱，补压到初撑压力，并可执行多次，保证支护质量。►自动跟机功能；根据采煤工艺和支架位置，按照工艺规则支架自动收护帮（伸缩梁）、拉架、推溜、伸护帮（伸缩梁），满足进刀、三角煤的要求。►自动喷雾；根据采煤机的位置按照一定规则辅助采煤机喷雾。自动化设计及使用维护1、系统组成及功能设计-采煤机系统a）概述采煤机系统主要由采煤机、顺槽终端组成；顺槽终端主要采集采煤机的数据、状态及信息进行监测与现实，同时具有控制和参数设置功能；还具有与集控自动化系统通讯与控制。采煤机与集控自动化系统通过有线RS485或者以太网通讯，通讯协议采用modbus协议。自动化设计及使用维护1、系统组成及功能设计-采煤机系统b）功能设计●顺槽控制功能；自动化平台可以通过人为按键方式或者通过系统内部程序方式向采煤机发送控制指令进行远程控制。●数据监测功能：集控中心需要对采煤机的姿态数据、电气参数、温度数据进行采集监测，分析这些数据，对异常的参数进行提示预警或急停。●记忆切割：通过人工学习示范刀，在记忆模式下根据记忆的示范刀进行割煤。●学习和在线学习功能。●具有精确定位功能。●具有人工干预与记忆相接合的功能。●能满足采煤工艺要求，参数并能修改与干预。自动化设计及使用维护1、系统组成及功能设计-采煤机系统c）要点

●位置的精准性

采煤机自动化（记忆和学习）、自动割穿、自动化系统自动推溜、拉架等联动均需要位置的准确性。►在端头增加精确位置校准装置，用于校准采煤机的位置。►采用红外或者射频定位系统，与采煤机位置进行校准。●设备可控性

采煤机与集控自动化系统采用通讯协议进行控制，如果在控制过程中采煤机与自动化系统通讯中断，则设备自身进入保护状态。●数据传输

传统的数据传输采用采煤机电缆里一对传输小线进行传输，在条件较为恶劣的采面（大倾角）传输小线容易损坏，造成采煤机电缆不能使用；因此数据传输使用无线传输（如Wifi或者4G）。自动化设计及使用维护1、系统组成及功能设计-采煤机系统●安全性

采煤机上电一般通过采煤机上的停止和启动开关进行上电，采用自动化集控上电，则必须采煤机停止按钮接通时才能进行上电。自动化设计及使用维护1、系统组成及功能设计-运输及供电监控系统b）接口

启动开关、馈电开关、组合开关、移变、华宁三机控制数据通过综合接入器里的RS485转以太网转成以太网数据，然后通过交换机与数据主机和备用主机通讯。a）概述运输监控系统主要是采集各供电开关数据进行监测，根据开关的状态、负载进行系统控制和设备控制。设备控制一般通过华宁或者大齐集中控制平台控制。自动化设计及使用维护1、系统组成及功能设计-运输及供电监控系统c）功能●监测各开关、设备运行状态，电气参数，对故障、超差进行提示预警和停车。

●按照逻辑控制各设备。

●连锁控制。d）要点要求

●控制实时性

●设备可控性自动化设计及使用维护1、系统组成及功能设计-供液系统组成：由乳化站、清水泵、自动配比、清水过滤器、高压反冲洗、回液过滤站组成。自动化设计及使用维护1、系统组成及功能设计-供液系统通讯：高压反冲洗的数据通过综合接入器里的CAN转以太网转成以太网数据和自动配比、泵站数据通过以太网与数据主机和备用主机通讯。自动化设计及使用维护1、系统组成及功能设计-供液系统功能：●检测泵箱液位，进行自动补液；●检测泵箱浓度，控制浓缩液浓度，使其在3%~5%之间；●监测高压反冲洗压力，根据动作、数量及压力（进口与出口）判断液路是否正常，对不正常进行提示预警；●根据高压反冲洗进出口压力，对高压反冲洗进行自动反冲；●吸空保护功能；●爆管保护功能；●泵站联动启动、泵站联动停止以及泵站系统急停功能。●集控操作功能。自动化设计及使用维护1、系统组成及功能设计-视频系统组成：采面视频、搭接点视频、机头机尾视频。布置：采面每隔1架安装一个正向视频，每隔6架安装一个沿溜子的视频，在机头和机尾安装一个视频用于视频监测窜动，在运输系统搭接处、溜煤眼、泵站泵箱、泵站各安装一个视频用于监测。功能：采面正向视频用于视频监测滚筒与支架的关系，进行视频跟机；同时监测煤壁的情况，确认是否执行超前拉架。侧向：监测采面沿溜子的情况；搭接点视频：监测运输系统运行情况；机头机尾视频：用于监测窜动和机头机尾进尺情况；泵站视频：用于监测泵运行情况，是否漏液等。采面视频自动化设计及使用维护1、系统组成及功能设计-集控中心2）集控中心自动化设计及使用维护1、系统组成及功能设计-集控中心a）组成：集控中心是整个自动化工作面的核心，包括：集控台、视频主机、数据处理主机（客户端、采煤机、刮板机、转载机、皮带机、泵站、供电系统等的数据采集系统）、交换机等系统组成。设备连接如上图，数据流图如下所示。自动化设计及使用维护1、系统组成及功能设计-集控中心侧向视频：主要监视采面摄像仪沿溜子的所有视频。视频跟机：根据采煤机的位置自动显示采煤机机身机附近的视频。搭接点视频：显示转载机与运输机、转载机与皮带机、皮带与皮带、皮带与溜煤眼、泵站的视频。支架监测画面：界面显示工作面支架状态信息。综合监测画面：界面显示综采所有设备的综合信息。采煤机监测画面：界面显示采煤机状态信息。视频主机：用于管理采面视频信息。数据主机：采集各设备数据，根据各设备的状态控制各设备，控制和管理自动、远程、本地操作以及系统的连锁控制。同时将数据、状态、故障等分发给各客户端用于显示和传输给地面服务器。备用数据主机：是数据主机的热备，如果数据主机出现故障，则自动将备用数据主机启动运行。支架操作键盘：用于集控台支架操作。三机操作键盘：用于集控台采煤机、运输系统、供液系统、自动化控制与操作。自动化设计及使用维护1、系统组成及功能设计-集控中心b）功能设计

●具有在监控中心对采煤机工况监测与远程自动控制功能。●具有在监控中心对液压支架工况监测与远程自动控制功能。●具有在监控中心对运输设备状态监测与集中自动化控制功能。●具有在监控中心对泵站系统状态监测与集中自动化控制功能。●具有对采煤机、刮板机头、刮板机尾、转载点视频实时监视功能。●具有井上数据传输功能。●具有综采设备连锁控制功能。●具有一键启停功能。●具有系统数据分析预警功能。c）设计特点●冗余设计；集控中心是整个系统控制的中心，所有的数据、信息以及系统控制均由数据主机执行，因此它的稳定性、可靠性非常高；主机采用一用一备设计，增加了系统的可靠性。●系统由数据主机统一管理、统一控制，避免了多主机同时读取或者控制某台设备，造成数据混乱。

自动化设计及使用维护1、系统组成及功能设计-地面系统3）地面系统自动化设计及使用维护a）组成

系统由服务器、云平台服务器、客户端、移动客户端组成。1、系统组成及功能设计-地面系统b）数据流自动化设计及使用维护

井上服务器通过光纤采集井下数据，通过局域网将压力数据传至压力分析客户端进行压力分析，将自动化数据传至自动化监测端进行监测与分析；通过外网交换机在Internet上进行数据传输，与云平台服务器数据交换1、系统组成及功能设计-地面系统c）功能自动化设计及使用维护●接收井下数据主机的数据，建立数据库进行存储；●根据客户端的需求传输客户端需要的数据；●将数据传至云平台服务器，用户可以通过Internet在线监测信息和查询信息；●建立移动用户服务平台，移动用户可以通过移动数据在线监测和查询信息；●对设备数据和自动化数据信息进行数据分析，对故障进行实时报警，实时更新故障库，根据数据分析和故障库信息预测设备的健康状态。●分析设备及系统使用情况，与客户沟通，找出系统设计弊端，优化设计，设计出更能满足使用。

●建立采面运行成本机制，统计每天、每月使用的耗材，对设备故障进行统计，排序，分析最多的故障进行改进。2、系统设计-采煤工艺自动化设计及使用维护

系统设计包括采煤工艺设计、系统控制、连锁控制等设计。1）采煤工艺

淮北煤矿即有薄煤层（采高1.2m）又有中厚煤层，对于两者煤层，采煤工艺是不同的。由于每个煤矿、每个采面具体操作不太一样，为了使工艺通用化，设计6个主工艺和其它辅助工艺。

主工艺：包括往机头通刀、机头进刀、机头三角煤、往机尾通刀、机尾进刀、机尾三角煤。

辅助工艺：扫煤。

a）中厚煤层

中厚煤层进刀采用一次拉满、推弯曲段的方式进刀，该方式对行程传感器要求不高。►机头通刀

采煤机往机头运行直至割穿。

2、系统设计-采煤工艺自动化设计及使用维护►机头第一次扫煤

机头割通之后，采煤机进行扫煤，第一次扫煤2、系统设计-采煤工艺自动化设计及使用维护►机头进刀

采煤扫完煤后，进行进刀。进刀进完刀2、系统设计-采煤工艺自动化设计及使用维护►机头三角煤

进完刀进行机头三角煤。开始三角煤三角煤

机尾通刀、机尾第一次扫煤、机尾进刀、机尾三角与机头类似。只有第一次扫煤支架有动作，其它的扫煤支架没有动作。2、系统设计-采煤工艺自动化设计及使用维护b）薄煤层

薄煤层采高较低，不能采用中厚煤层进刀，只能采用拉弯曲段的方式，然后全推才能进刀，该方式对行程传感器要求很高。►机头通刀

通刀形成弯曲段2、系统设计-采煤工艺自动化设计及使用维护►机头进刀

采煤机通刀割穿后进行机头扫煤，扫完煤后进行进刀。当采煤机向机尾运行至扫煤点n时，则认为进刀。

进刀开始拉架进刀完成2、系统设计-采煤工艺自动化设计及使用维护►机头三角煤

采煤进完刀后，执行1-22架推溜，将溜子推直。

机尾通刀、机尾扫煤、机尾进刀、机尾三角煤与机头类似。

2、系统设计-控制模式自动化设计及使用维护控制器自动自动控制模式2、系统设计-煤层考虑自动化设计及使用维护

淮北煤层复杂，在自动化设计时，需对具体情况进行一些特殊设计。1）顶底板破碎

针对顶底板破碎，我们做了以下考虑。●快速拉架--支架拉架力需要设计较大，在拉架过程中，顶板还来不及反应则已支撑。●支架具有起底功能—针对底板松软，则支架须有抬底。●执行三带移架—指顶板带压移架、侧护带压移架、护帮带压移架。●支架支撑平稳—防止支架仰撑、府撑。

2、系统设计-煤层考虑自动化设计及使用维护2）中厚煤层中厚煤层在采煤过程，经常存在煤壁垮落，垮落较大，伸缩梁伸出还不能护住，因此需要判断拉超前架。3）大倾角煤层

大倾角煤层容易造成设备下滑、支架挤架；在侧护安装传感器，监测支架的宽度，根据支架的宽度判断支架是否挤架，如果宽度不够则需要通过侧护和底调进行调架；

在机头机尾安装侧护传感器，用于监测机头机尾的位置窜动，测距传感器采用多点定位机制。2、系统设计-煤层考虑自动化设计及使用维护4）薄煤层薄煤层进刀采用拉弯曲段的方式进刀，由于拉弯曲段对传感器要求很高，对故障传感器采用了容错处理机制，分别采用大数量规律控制或立柱泄压处理。5）煤层变化大

采煤机在自动模式下引入了人工干预，自动模式下干预不影响自动化进行。

自动化系统对采煤机依赖性较小，设计采用特征点进行设计。2、系统设计-系统控制自动化设计及使用维护1）系统载荷联动

系统根据运输系统的负载、采煤机的负载，降低或者增加采煤机的速度，已达到载荷平衡。2）瓦斯粉层联动

系统监测采面瓦斯和粉层，当瓦斯或粉层超限时进行减速或者停机。3）采煤机与支架防干涉功能

通过电液控系统实时监测护帮板伸缩梁的实时状态，通过预警、报警、甚至停止机制，防止采煤机和支架产生干涉4）设备连锁控制●运输系统连锁控制；●运输系统与采煤机连锁控制；●运输系统与支架连锁控制。3、使用与维护-集控操作自动化设计及使用维护

集控操作主要是在综合操作键盘和支架操作键盘上进行。

综合操作键盘主要是控制三机（刮板机、皮带机、转载机等运输设备）、泵站、采煤机以及一键启停；支架操作键盘主要是控制支架各种动作以及成组控制推溜、拉溜动作、推三角煤等

综合操作键盘分为4个区，分别是：总控区、三机区、泵站区、采煤机区。3、使用与维护-集控操作自动化设计及使用维护

支架操作键盘主要用于操作支架，切换视频，设置支架操作方式等功能3、使用与维护-集控操作自动化设计及使用维护1）操作步骤

先确定操作键盘是否处于锁定状态，如果锁定，则必须输入口令解锁，如果正确解锁则可以操作；如果输入不对，则会提示密码输入不正确，重新输入。●单设备控制

以控制刮板机为例。3、使用与维护-集控操作自动化设计及使用维护●小联动控制

以三机为例。3、使用与维护-集控操作自动化设计及使用维护●一键控制3、使用与维护-集控操作自动化设计及使用维护●一键控制3、使用与维护-集控操作自动化设计及使用维护●支架控制成组操作类似。3、使用与维护-维护自动化设计及使用维护1）故障

故障分为自动化故障和设备故障。自动化故障是在自动化过程中出现的故障，如护帮不能收到位等；设备故障是设备自身存在的故障，如开关漏电、通讯故障等a）自动化故障

在自动化过程中，系统需要对故障进行分析和处理，故障分为提示性故障、报警性故障和停机性故障。

●提示性故障：立柱压力传感器故障、平衡压力传感器故障、红外传感器故障、顶侧拉线传感器故障、掩侧拉线传感器故障。该故障提示在右边的故障显示栏中。

3、使用与维护-维护自动化设计及使用维护

●警告性故障：

支架方面：采机运行后方护帮传感器故障或者伸出未到位、伸缩梁行程传感器故障或者伸出尾到位、拉架未到位或者推移行程传感器故障、推溜未到位。

三机方面：采煤机功率超负荷、溜子超负荷、转载机超负荷、皮带机超负荷、泵站超负荷，但这些超负荷未达到停机标准。其它三机厂家的警告性故障。警告性故障处理方法：

▼拉架未到位或者行程传感器故障无法判断是否到位，在集控台、控制器上以及语音里提示需要人工确定是否到位，在没有处理前，采煤机可以在该工艺段继续运行，推溜暂停，人工确认之后，继续进行推溜（自动化恢复一切正常）。

3、使用与维护-维护自动化设计及使用维护

▼推溜未到位，在集控台、控制器上以及语音里提示需要人工干预的支架推溜，采机可以在该工艺段继续运行，支架可以继续拉架和相应的护帮动作，推溜暂停，人工干预之后，可以恢复自动推溜（自动化一切正常）。

▼护帮未到位或者传感器故障，在集控台、控制器上以及语音里提示需要人工确定是否到位，在没有处理之前，采机可以在该工艺段继续运行，推溜和拉架可以继续。

▼负荷超出且未达到停机，在集控台上、控制器上以及语音里提示设备负荷超标，需要减低负荷，集控台会自动调整采煤机的运行速度已降低负荷。泵站会停止超负荷的泵、启用另一台泵。

3、使用与维护-维护自动化设计及使用维护

●停机性故障：

支架方面：采煤机运行前方伸缩梁未收回或者伸缩梁传感器故障、护帮未收回或者护帮传感器故障。

三机方面：负荷达到停机要求、运输系统任意一台停机、泵站停机。

通讯方面：集控与采煤机无法通讯、集控与三机无法通讯、集控与泵站无法通讯、集控与电液控系统无法通讯、电液控制系统之间无法通讯。

温度方面：系统温度超温，达到停机要求。停机性故障处理：

▼采煤机运行前方伸缩梁和护帮未收回或者传感器故障，在集控中心、控制器上以及语音里提示需要人工确定与干预，并确定支架，采煤机根据安全距离停机，当人工确定与干预完成之后，牵引采煤机，自动化继续。

3、使用与维护-维护自动化设计及使用维护

▼三机负荷达到停机或者运输系统任意一台停机、泵站停机，在集控中心、控制器上以及语音里提示那台设备超负荷或者停机，采煤机立即停机，当人工处理后牵引采煤机，自动化继续。

▼集控与采