CN111308955A - 综掘成套装备远程协同控制技术与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种综掘成套装备远程协同控制技术与方法，包括触屏显示器、无线通讯模块、中央控制器、及其连接控制的掘进机控制子系统、锚杆钻车控制子系统、皮带运输机控制子系统。其中，中央控制器采集掘进机、锚杆钻车与皮带运输机的位置信息并控制三机工作，无线通讯模块将信息传递至控制中心，在触屏显示器上展示，以便于工作人员对掘进工作面的监控。本发明的优点在于，工作人员可以对施工过程中掘进工作面的位置参数进行有效监控，并能够实现三机协同工作，保证煤矿井下的安全生产，改进了现有的通过人为实现联动的状况，提高系统控制的可靠性、安全性、实时性。有效解决了现有煤矿井下综掘工作面多设备之间协同工作的问题。

Description

综掘成套装备远程协同控制技术与方法

技术领域

本发明涉及巷道综掘工作面自动化控制技术领域，具体涉及综掘成套装备远程协同控制技术与方法。

背景技术

掘进工作面是现代化煤矿生产的主要环节，也是煤矿井下环境最恶劣、工作最复杂的系统之一，目前综掘工作面在掘进过程中，确定掘进距离的方式主要是由操作员根据经验大致确定掘进距离，然后停止掘进，再使用测距仪测量掘进距离。但是，这种确定掘进距离的方式不能实时确定实际掘进距离，容易超出《安全规程》规定的空顶距，易发生违规作业。如果操作员过于谨慎，每次保守估计掘进距离，则会降低施工效率，影响施工进度。并且三机同时工作时需要锚杆钻车与皮带运输机根据掘进机的动作与位置改变工作状态，配合掘进机共同完成掘进工作，避免由于锚杆钻车与皮带运输机位置不匹配导致的堆煤事故和煤料的散落。为解决以上问题，完成了本发明。

发明内容

本发明为解决上述操作员确认繁琐、不准确以及三机相对位置不匹配导致安全事故的问题，提供一种综掘成套装备远程协同控制技术与方法，保证各机械设备之间安全、稳定、快速运行。

为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案为：综掘成套装备远程协同控制技术与方法，包括触屏显示器、无线通讯模块、中央控制器、及其连接控制的掘进机控制子系统、锚杆钻车控制子系统、皮带运输机控制子系统。

触屏显示器采用HMI触摸屏和3DVR液晶屏，HMI触摸屏的输入端连接PLC的输出端，HMI液晶屏的输入端连接中央控制器的输出端，安装于地面控制中心，用于时时显示三机的运动过程。

无线通讯模块包括4G网络传输模块和远程操作模块，4G网络传输模块，采用232/485无线通讯模块，利用4G技术，依托电磁波传播信息，频率高达3~30GHz，延迟低，传播速度更快，能够有效的确保数据的时时更新。

中央控制器采用PLC和工业计算机，接收各个传感器的信号并进行判断、分析，再将三机的位置信息结果显示于控制中心的触屏显示器，并在必要时工作人员在控制中心可人工干预设备的启停，确保设备及人员的安全。

掘进机控制子系统包括安装于掘进机机身的多组测距仪以及连接控制的液压系统与电气系统。测距仪安装于掘进机的前端与两侧，分别监测掘进机的进尺长度与相对距离，掘进机控制子系统连接控制掘进机液压系统与电气系统，能够根据中央控制器的指令控制掘进机的动作。

锚杆钻车控制子系统，包括安装于锚杆钻车机身的多组测距仪以及连接控制的液压系统与电气系统。测距仪安装于锚杆钻车的前端与两侧，分别监测其与掘进机距离以及相对位置。锚杆钻车控制子系统连接控制锚杆钻车液压系统与电气系统，能够根据中央控制器的指令控制锚杆钻车的动作。

皮带运输机控制子系统，包括安装于皮带运输机机身的多组测距仪以及连接控制的电气系统。测距仪安装于皮带运输机的前端与两侧，分别监测其与锚杆钻车距离以及相对位置。皮带运输机控制子系统连接控制皮带运输机电气系统，能够根据中央控制器的指令控制皮带运输机的动作。

综掘成套装备远程协同控制技术与方法，其设备间存在协同关系，其主要表现为：

掘进机与锚杆钻车之间存在闭锁关系，当掘进机停机时，锚杆钻车必须停机，只有锚杆钻车启动后，掘进机才能启动，掘进机与锚杆钻车的运动方向必须一致，即掘进机 “前进”时，锚杆钻车必须处于“前进”状态，掘进机“停止”时，锚杆钻车必须处于“停止”状态。

锚杆钻车与皮带运输机的协同关系也是如此，皮带运输机根据锚杆钻车的动作而动作。

综掘成套装备远程协同控制技术与方法，其控制方法步骤主要包括自动控制和手动干预。

其中自动控制步骤主要包括启动步骤、工作跟机步骤、停止步骤、预警停机步骤。

启动步骤主要为：首先启动掘进机、锚杆钻车、皮带运输机中的运输机构，保证启动时为空载状态，控制掘进机启动星行集装臂、后支撑架和喷雾除尘系统，为下一步截割做准备。

工作跟机步骤主要为：掘进机机身上的测距仪测量掘进机的位置信息，传输到中央控制器，操作员可以直观的在触屏显示器上时时监测，中央控制器操作员的预设值进行操作，中央控制器向控制子系统传输命令，控制掘进机截割滚筒与截割臂工作。

锚杆钻车前端的测距仪时时检测其与掘进机的距离，保证掘进机的链式输送机能够将煤块运输至锚杆钻车的运输机构，中央控制器根据掘进机掘进距离，控制锚杆钻车的锚杆机对巷道顶板及侧帮进行进一步锚固，防止事故的发生。

皮带运输机前端的测距仪监测其与锚杆钻车尾部的距离，保证煤块的运输，两侧分布着多组测距仪，将皮带运输机的位置信息传送给中央控制器，中央控制器根据反馈的信息给子系统发送指令，控制皮带运输机的相对位置。

中央控制器接收三机的位置信息，根据三机在巷道内的位置关系，发送指令给控制子系统，由子系统控制前进的距离，保证巷道掘进的准确度。

停止步骤主要为：中央控制器收到操作员的停止指令，向掘进机控制子系统、锚杆钻车控制子系统、皮带运输机控制子系统发送相应的指令，首先停止掘进机截割滚筒与截割臂，然后停止喷雾除尘系统、停止星形集装臂，等待预定时间后，煤块全部运出，停止三机的所有工作。

预警停机步骤主要为：掘进机、锚杆钻车与皮带运输机中发现设备故障后，自动切断相应部分的供电系统，并根据协同控制方法逐步停机，以保证煤矿井下的安全性。

综掘成套装备远程协同控制技术与方法，其手动干预控制方法步骤主要步骤为：当工作面工作过程中，操作员在地上的中央控制室观察触屏显示器，如发现掘进工作面自动控制系统发出预警提示并启动预警停机，可及时发现并指派工作人员进行维修。若通过触屏显示器发现工作系统问题，可按下急停按钮，切断总电源，停止掘进工作面的所有工作。

本发明的综掘成套装备远程协同控制技术与方法，实现了掘进、支护、运输等多个移动设备之间协同行走和运输系统联动控制，保证了掘进工作面的生产效率，使得施工现场由原来的多人手工，凭借经验完成的操作，可由掘进机操作员一人完成，采用无线通信装置设计高效快速掘进系统协同控制方案，掘进工作面的三机之间的联动配合更加科学，提高了设备运行的自动化，有效降低了安全事故，达到各设备协调、连续、高效、安全运行的目的。

附图说明

图1为触屏显示器操作显示界面。

图2为掘进机、锚杆钻车、皮带运输机的传感器分布示意图。

图3为本发明控制流程图。

图4为无线传感器网络的功能框图。

图5为煤矿快速掘进中掘进机、锚杆钻车、皮带运输机的自动联动控制系统的示意框图。

图中标记均为测距仪。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明提供的综掘成套装备远程协同控制技术与方法，包括触屏显示器、无线通讯模块、中央控制器、及其连接控制的掘进机控制子系统、锚杆钻车控制子系统、皮带运输机控制子系统。

图1为触屏显示器操作显示界面，采用HMI触摸屏和3DVR液晶屏，HMI触摸屏的输入端连接PLC的输出端,，HMI液晶屏的输入端连接中央控制器的输出端，安装于地面控制中心，用于时时显示三机的运动过程，触摸屏可控制系统的启停、设置初始参数，包括掘进机行进速度、截割臂的运动速度等。

如图2所示为掘进机、锚杆钻车、皮带运输机的传感器分布示意图，掘进机传感器分布包括测量掘进机与截割断面距离的测距仪1，测量掘进机左右相对位置的测距仪2、3。

锚杆钻车机身的传感器分布包括测量掘进机尾部出料位置的测距仪4，测量锚杆钻车相对位置的测距仪5、6。

皮带运输机机身的传感器分布包括测量锚杆钻车尾部出料位置的测距仪7，测量皮带运输机相对位置的测距仪8、9。

发明中，掘进机控制子系统、锚杆钻车控制子系统、皮带运输机控制子系统分别与相应设备中的液压系统、电气系统连接，能够时时测量设备各部分的状况，判断其是否故障或存在安全隐患，并将相应的数据通过4G通讯技术时时传递至中央控制室，使得操作员可以时时监测。各个控制子系统能够根据中央控制器的指令控制相应设备的启停和各个液压系统中油缸等元件的工作。

无线通讯模块包括4G网络传输模块和远程操作模块，4G网络传输模块，采用232/485无线通讯模块，利用4G技术，依托电磁波传播信息，频率高达3~30GHz，延迟低，传播速度更快，能够有效的确保数据的时时更新。

中央控制器采用PLC和工业计算机，接收各个传感器的信号并进行判断、分析，再将三机的位置信息结果显示于控制中心的触屏显示器，并在必要时工作人员在控制中心可人工干预设备的启停，确保设备及人员的安全。

本发明的具体工作流程如下：

操作员在触屏显示器中手动输入掘进工作面初始参数，确定后点击触屏显示器中的启停按钮，按钮颜色由红色变为绿色，中央控制器开始自动控制三机有序启动。

首先三个控制子系统将各个设备的位置信息传输至中央控制器，中央控制器将数据汇总，通过无线通讯传输至触屏显示器，中央控制器根据各个设备的位置信息判断其是否达到预定的工作位置，各设备之间是否达到预定的跟机距离，中央控制器根据信息向控制子系统发送指令，控制掘进机、锚杆钻车、皮带运输机的电气系统，调整三机的位置，为掘进工作做准备。

然后中央控制器分析掘进机、锚杆钻车、皮带运输机中的运输机构，确定运输机构为空载状态后，将启动信号发送掘进机星行集装臂、后支撑架和喷雾除尘系统，为下一步截割做准备。

截割时，掘进机控制子系统将掘进机机身上的测距仪1、2、3反馈的掘进机位置信息传输到中央控制器，并通过无线传输将其形象的显示于触屏显示器，方便操作员查看。当测距仪1测得掘进机掘进至规定距离后，掘进机控制子系统控制掘进机的液压系统，发出指令使安装于掘进机机身的截割臂工作，在掘进机固定状态下掘进巷道以及对巷道掘进。

锚杆钻车前端的测距仪4时时监测其与掘进机的距离，保证掘进机的链式输送机能够将煤块运输至锚杆钻车的运煤机构，中央控制器根据掘进机控制子系统传输的掘进机掘进距离，发送指令给锚杆钻车控制子系统，控制其液压系统，使得锚杆钻车的锚杆机对巷道顶板及侧帮进行进一步锚固，防止事故的发生。

皮带运输机前端的测距仪7监测其与锚杆钻车尾部的距离，保证煤块的运输，两侧分布着测距仪8、9，将皮带运输机的相对位置传送给中央控制器，中央控制器根据反馈的信息向子系统发送指令，控制皮带运输机的相对位置。

在掘进过程中，中央控制器实时接收三机的位置信息，根据三机在巷道内的位置关系，控制三机协同工作。

掘进机与锚杆钻车之间存在闭锁关系，当掘进机停机时，锚杆钻车必须停机，只有锚杆钻车启动后，掘进机才能启动，掘进机与锚杆钻车的运动方向必须一致，即掘进机 “前进”时，锚杆钻车必须处于“前进”状态，掘进机“停止”时，锚杆钻车必须处于“停止”状态。

当掘进机与锚杆钻车之间的距离大于预设值时，则锚杆钻车前进速度提升，距离小于预设值时，则锚杆钻车前进速度减慢，从而保持掘进机与锚杆钻车位置相对固定。

锚杆钻车与皮带运输机的协同关系也是如此，保持皮带运输机于锚杆钻车的位置相对固定。

如图4所示，掘进机、锚杆钻车、皮带运输机中的电气系统及液压系统中装有多个传感器，包括压力传感器、振动传感器、温度传感器、电流传感器。压力传感器监测油缸压力，振动传感器监测机身振动，温度传感器监测液压油缸温度，电流传感器监测电路中电流大小是否过载，中央控制器将信号传感器信号通过无线通讯传输至控制中心，并在触屏显示器上显示，当传感器测量值超过安全值后，会触发报警系统，中央控制器自动切断相应部分的供电系统，并根据协同控制方法逐步停机，以保证煤矿井下的安全性。触屏显示器上相应的数值会变为红色，以提示操作员掘进工作面发生故障，需要及时检修。

当工作结束后，操作员点击触屏显示器中的启停按钮，按钮颜色由绿色变为红色，中央控制器开始自动控制三机有序停止。首先停止掘进机截割滚筒与截割臂，然后停止喷雾除尘系统、停止星形集装臂，等待预定时间后，煤块全部运出，停止三机的所有工作，掘进工作完毕。

在上述步骤中，命令或者状态信息通过各设备的无线终端发射出去，具体实现为各设备通过RS485口与自身的无线终端连接，将设备数据传输到自身的无线终端，并从自身的无线终端读取其他设备的数据，各设备无线终端形成一个无线局域网络。最终所有数据传输至中央控制器，经过汇总、分析，通过4G网络传输模块将数据显示在触摸显示屏。

Claims (8)

1.综掘成套装备远程协同控制技术与方法，其特征包括触屏显示器、无线通讯模块、中央控制器、及其连接控制的掘进机控制子系统、锚杆钻车控制子系统、皮带运输机控制子系统。

2.根据权利要求1所述的综掘成套装备远程协同控制技术与方法，其特征在于所述触屏显示器采用HMI触摸屏和3DVR液晶屏，HMI触摸屏的输入端连接PLC的输出端,，HMI液晶屏的输入端连接中央控制器的输出端，安装于地面控制中心，用于时时显示三机的运动过程，触摸屏可控制系统的启停、设置初始参数，包括掘进机行进速度、截割臂的运动速度等。

3.根据权利要求1所述的综掘成套装备远程协同控制技术与方法，其特征在于所述无线通讯模块包括4G网络传输模块和远程操作模块。

4.根据权利要求1所述的综掘成套装备远程协同控制技术与方法，其特征在于所述中央控制器采用PLC和工业计算机，接收各个传感器的信号并进行判断、分析，再将三机的位置信息结果显示于控制中心的触屏显示器，并在必要时工作人员在控制中心可人工干预设备的启停，确保设备及人员的安全。

5.根据权利要求1所述的综掘成套装备远程协同控制技术与方法，其特征在于所述掘进机控制子系统、锚杆钻车控制子系统、皮带运输机控制子系统包括安装于掘进机机身、锚杆钻车和皮带运输机的多组测距仪以及各自连接控制的液压系统与电气系统。

6.根据权利要求1所述的掘进机控制子系统、锚杆钻车控制子系统、皮带运输机控制子系统，其特征在于所述测距仪安装于掘进机、锚杆钻车和皮带运输机的前端与两侧，分别监测掘进机进尺长度、三机相对距离，多组传感器能够时时测量三机的相对运行位置，三机的液压系统与电器系统与中央控制器联接，可根据指令远程控制设备的工作。

7.根据权利要求3所述的4G网络传输模块，其特征在于用232/485无线通讯模块，利用4G技术，依托电磁波传播信息，频率高达3~30GHz，延迟低，传播速度更快，能够有效的确保数据的时时更新。

8.根据权利要求3所述的远程操作模块，其特征在于所述远程操作模块可以根据地面控制中心发出的指令远程操控三机的运行，利用无线传输技术，通过4G网络传输模块传输至综掘工作面的远程操作模块，以远程操作模块控制中央控制器对三机的相对位置进行调整。

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