煤矿综采自动化工作面技术方案设计

综采工作面自动化系统技术方案

二零零五年一月

目录

0. 公司介绍 (01)

1. 系统目标 (02)

1.1 工作面生产自动化………………………………………………………….………

1.2 在线监测工作面状态………………………………………………………………

2. 控制系统结构方案 (04)

2.1 系统网络结构………………………………………………………………………

2.2 控制网络技术指标…………………………………………………………………

2.3 监控子系统…………………………………………………………………………

3. 系统功能及其实现 (09)

3.1 工作面顺槽控制功能………………………………………..….……….…………

3.2 工作面设备监测控制功能…………………………………………………………

3.3 监测内容显示………………………………………………………………………

3.4 控制系统软件功能..........................................................................4．系统监测控制数据点. (16)

0.公司介绍

北京天地玛珂电液控制系统有限公司是天地科技股份有限公司与德国Marco系统分析与开发有限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。

天地科技是煤炭科学研究总院以其部分优良资产为基础发起成立并控股的上市公司，具有四十多年专业从事煤炭科技研发工作的基础、经验、技术储备和人才优势；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。

天玛公司于2001年7月注册成立，获得了“高新技术企业证书”，并通过了ISO9001：2000版的质量体系认证。公司位于煤炭科学研究总院内，设有市场部、研发部、生产部、综合部、备件库和维修服务中心。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。

公司装备了进口数控双主轴切削中心、全套进口的专用电缆加工设备和各种机床，具有良好的生产高技术产品的条件。公司拥有装备了高精度“标准源”、逻辑分析仪、记忆示波器、开发系统等上百台仪器仪表的电气开发实验室和装备了三台乳化液泵、两台液压支架和液压试验台等的液压系统研究试验室，具有科学、规范、完善的检测手段和极好的研究开发、试验条件。

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，通过采取关键部件引进、逐步提高国产化率、按中国的法规通过“煤安标志”检验（已取得证书）并由中方技术人员进行系统设计配套、技术支持和售后服务等措施，在保证产品质量和服务水平的前提下，最大程度地降低了系统的价格，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。

公司将以提供产品、系统设计、设备配套、技术支持、售后服务和工程承包等多种方式，坚持“精益求精，供电液控制系统精品；优质服务，树煤炭行业一流品牌”的质量方针，竭诚为我国煤矿用户服务。

1．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。

1.1实现工作面生产自动化

1.1.1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，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：

?单设备启停，包括刮板机、转载机、泵站、采煤机

?顺序开机

?顺序停机

?启停跟机（采煤机）自动化

?语音通讯

?启停生产自动程序。

实现这些控制功能跟综采工作面所选用的生产设备是否具有数字接口有关，具有数字接口的智能生产设备可以减少控制系统实施的工作量。例如，采煤机如果是智能的，采煤机能提供本身的状态数据如位置、牵引速度、牵引方向等，那么控制系统只要联接采煤机就可以采集这些数据了，不需要在采煤机内部开发监测子系统。

启停跟机自动化，是指电液控制系统根据采煤机的位置来自动进行液压支架的升降移动作。如果系统不安装电液控制系统，则跟机自动化功能不会实现。

1.1.2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。

1.1.3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，防止运输设备超载启动。

1.1.4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。

顺槽皮带也可以由工作面控制台来集中控制，这个功能与煤仓仓位监测功能有直接的关系，这样才能构成一个完整的工作面智能运输系统。

1.2在线监测工作面状态

1.2.1在线监测并显示主要生产设备的工作状态

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。根据现场需要，对皮带机还要进行工作状态监测。

1.2.2在线监测工作面环境状况

通过监测工作面上隅角（瓦斯易聚区域）的瓦斯浓度、温度和一氧化碳浓度，回风巷的瓦斯浓度、温度和风速的监测，随时监测工作面的环境条件，一旦出现异常情况能够及时发现并采取有效处理措施，及时消除安全隐患。

在线监测功能也是为了控制功能的实现，为控制功能提供参数依据。

2 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。主要的研究开发工作在自动化层，通过应用程序来实现。

2.1 系统网络结构

系统网络结构如下图。

2.1.1 管理信息层

利用100M 以太网接口，通过Web 信息数据发布服务器将整个系统的数据发布到矿

局域网上，使生产管理人员能够就地获得工作面的相关信息。

在与监测信息相关的管理部门，利用在矿局域网上的计算机，可以实现对工作面的信息进行实时监视和历史数据查询、分析等，为生产管理者提供真实、翔实、实时的监测数据，便于对工作面生产的管理。信息查询只要用浏览器即可，输入相应的IP 地址或Web 地址，不需要另外安装客户端软件。

如果矿局域网与国际互连网相连，那么只要是可以访问互联网的用户，通过授权许可，可以以WEB 页面的形式访问数据发布服务器，得到工作面的监测信息，便于生产管理者不在矿的时候，掌握工作面的状况。

2.1.2 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

控制器 开关液控制现监控总线

管理层

监控层

设备层

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。

监测工作面控制工作面监测工作面

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

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2.1.3 2.1.2 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。

2.2控制网络主要技术指标

2.2.1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。

2.2.2自动化层

?传输介质：光纤/双绞线

?物理接口：以太网

?传输速率：100Mbps

?通讯协议：TCP/IP

2.2.3现场监控层

?传输介质：两对双绞线

?物理接口：RS422

?通讯速率：19.2kbps

?通讯协议：MODBUS/RTU

2.3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。

2.3.1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：

?采煤机运行信息：位置、方向、速度等

?各电机的负荷情况

?各部件温度信息

?各部件报警信息

?各部件保护信息

?通过控制牵引电机变频器调整煤机行进速度

?控制采煤机闭锁

2.3.2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：

?破碎机电机的电压、电流、负荷

?转载机高速、低速电机的电压、电流、负荷

?刮板机机头、机尾高速低速电机的电压、电流、负荷。

2.3.3环境监测子系统

本子系统可完成：

?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。

?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。

?乳化液泵站和清水泵站的自动控制。

?监测煤仓料位信息。

3个子系统之间的关系如下：

综采工作面控制系统各子系统之间关系

3系统功能及其实现

3.1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：

3.1.1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：皮带机->破碎机->转载机->刮板机->采煤机。

3.1.2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->皮带机。

3.1.3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：

3.1.4

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。

3.1.5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，皮带机上也不会满载，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。

3.1.6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。

3.2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。

3.2.1采煤机

通过本系统可对采煤机进行如下控制功能：

?闭锁采煤机

?降低采煤机行进速度

监测如下信息：

?位置、方向、速度信息

?煤机总电压、电流、负荷

?各个电机的电压、电流、负荷

?各个电机温度

?各个电机的保护信息

?各个电机的过载信息。

3.2.2刮板机

通过本系统可对前部刮板机进行如下控制功能：

?开启、关闭、闭锁

监测如下信息：

?各个高低速电机的电压、电流、负荷

?运行时间统计

3.2.3转载机

通过本系统可对转载机进行如下控制功能：

?开启、关闭、闭锁

监测如下信息：

?电机的电压、电流、负荷

?运行时间统计

3.2.4破碎机

通过本系统可对破碎机进行如下控制功能：

?开启、关闭、闭锁

监测如下信息：

?电机的电压、电流、负荷、过载

?运行时间统计

3.2.5皮带机

通过本系统可对转载机进行如下控制功能：

?开启、关闭、闭锁

监测如下信息：

电机的电压、电流、负荷

运行时间统计

3.2.6泵站系统

对乳化液泵和清水泵进行如下控制：

?启动、停止

?乳化液自动配比

?乳化液、清水泵箱自动补液

?自动控制乳化液泵过压卸载溢流

监测如下信息：

?乳化液箱液位

?清水箱水位

?泵站出口压力

3.3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。

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综采工作面生产设备监控画面

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综采工作面跟机自动化监控画面

3.4控制系统软件

3.4.1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。

3.4.2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。

3.4.3人机界面系统软件

目前可行的系统人机界面环境软件开发方案：

●方案1，使用高级语言开发工具（如Visual C/C++, Visual Basic等）开发具有独立版权的专用系统。

这种方法的优点是开发工具直接使用操作系统的API，因此生成软件的运行效率较高、系统灵活性较高，可以实现较复杂的数据后期处理功能。但是，由于高级语句开发工具本身不提供图形/硬件设备组态工具，开发系统运行组态的过程比较繁琐，许多对硬件或通信的控制需开发许多底层协议，因此该方案的开发周期长、成本高。而且，随着系统软件体系复杂度加大，在不能长时间进行系统测试的情况下，系统软件的可靠性将急剧下降。

●方案2，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。

经过上面的比较，选择方案2作为控制系统的软件开发模式。

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。

4．系统监测控制数据点

自动控制系统监测点