CN111398207B - 一种基于煤矸识别的全综放工作面放煤控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于煤矸识别的全综放工作面放煤控制系统及方法，属于综放工作面自动控制技术领域。在工作面铺设若干采集单元，每个采集单元包括多个光源探头装置、多通道光开关和光谱仪，采集单元通过光谱仪采集每个液压支架的放煤情况，在中控室布置若干组以太网交换机与处理器，光谱仪通过以太网交换机与处理器传输数据，处理器根据得到的光谱数据进行识别分析，得到当前直接放顶煤液压支架实际放煤情况，根据分析得到的含矸率信息与设置的所需含矸率信息进行比较，实现对放煤支架的控制。本发明布置合理，可有效降低布置系统所需设备成本，减小设备数量繁多引起系统可靠性问题。
Description
技术领域
本发明属于综放工作面自动控制技术领域，尤其涉及一种基于煤矸识别的全综放工作面放煤控制系统及方法。
背景技术
综放工作面环境恶劣，放煤过程中后刮板输送机上煤矸混合情况复杂，人工干预效率低，基于煤矸识别的放煤控制系统是目前综放工作面自动化的发展方向。现行研究的煤矸识别系统如图像、振动多以单支架或单区域作为研究范围，没有形成以全综放工作面为基础的系统化结构，还需要新的系统化的识别系统以实现在整个综放工作面各个区域都有效工作。近红外光谱煤矸识别技术，由于物质分子的振动、转动和能级跃迁引起的对电磁波的反射和吸收而形成的光谱曲线，煤矸由于组成成分不同使得其吸收不同波段的光，在光谱上出现吸收谷，可根据煤岩光谱曲线特征进行煤岩识别。
发明内容
发明目的：为实现综放工作面全区域放煤控制，解决其他放煤方法由于技术、成本原因无法大面积铺设的问题，本发明提出一种基于煤矸识别的全综放工作面放煤控制系统及方法，以降低放煤过程中的含矸率。根据光谱信息分析落到刮板输送机上的含矸率，为放煤口关闭提供数据支持，对多区域实时高频采集，监控放煤过程中含矸率变化。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于煤矸识别的全综放工作面放煤控制系统，包括若干个采集单元，若干组以太网交换机与处理器，顺槽主控计算机；
每个采集单元包括多个光源探头装置、多通道光开关和光谱仪，所述光源探头装置安装在液压支架后尾梁上，通过继电器与支架控制器连接，所述多通道光开关和光谱仪固定在电液阀控制器下侧，多通道光开关通过光纤分别与光谱仪和光源探头装置连接，同时多通道光开关还通过线缆与光谱仪连接，光源探头装置与控制放煤口的电液阀控制器连接；光谱仪通过内置的控制口切换多通道光开关实现对多台放顶煤液压支架放煤数据的采集；
所述以太网交换机与处理器设置在顺槽中控室，以太网交换机通过网线与处理器和n个光谱仪连接，每个处理器用于分析来自n个采集单元的数据，处理器通过RS485与顺槽主控计算机连接；
所述处理器执行以下操作：对处理器内置的回归模型进行修正，改变用于含矸率分析所使用的标准光谱数据库内容，设置含矸率阈值，测试是否所有采集单元都被找到；接收顺槽主控计算机发送动作支架的编号，根据接收到的编号获取该采集单元处的光谱仪IP地址，激活光谱仪并建立通信，利用光谱仪控制多通道光开关切换到给定编号的光纤通道；通过网线定时接收光谱仪输出的光谱数据，内置的回归模型根据光谱数据生成含矸率；实时将含矸率数据传给顺槽主控计算机，保存历史数据信息。
本发明实现一种基于煤矸识别的全综放工作面放煤控制方法，包括以下步骤：
(1)将综放工作面分割为若干个采集单元，每个采集单元中包括多个光源探头装置、多通道光开关和光谱仪，单个光谱仪通过切换多通道光开关采集综放工作面上多台放顶煤液压支架放煤数据；
(2)在顺槽中控室设置相应数量的以太网交换机与处理器，每个处理器分析来自n个采集单元的数据，并将数据传递至顺槽主控计算机；
(3)系统运行之前，根据系统布置的具体综放工作面特性对处理器中回归模型进行修正，改变用于含矸率分析所使用的标准光谱数据库内容，设置含矸率阈值，同时测试是否所有采集单元都被找到，确保系统可靠稳定后启动系统开始运行；所述综放工作面特性包括煤层分布、放煤工艺；
(4)放煤开始，根据放煤工艺顺槽主控计算机确定直接放煤支架，发送支架序号给支架总控制器并由该直接放煤支架控制器启动对应支架电液比例阀，同时发送DO信号给继电器控制光源探头装置启动；所述继电器由支架控制器控制，当该支架开始放煤后控制器点亮光源；
(5)随着液压支架后尾梁摆动，光源照射到落在刮板输送机的放顶煤上，同时顺槽主控计算机发送动作支架的编号给相应处理器，处理器根据接收到的编号获取该采集单元处的光谱仪IP地址，激活光谱仪并建立通信，利用光谱仪控制多通道光开关切换到给定编号的光纤通道；
(6)光源发射的近红外光束遇到煤矸混合物后反射被探头接收，探头接收到的反射光经光纤传回光谱仪中并在光谱仪中分析转化为光谱数据，将采集到的光谱数据通过网线定时传给处理器，处理器内置的回归模型根据光谱数据生成含矸率；所述光谱仪先与相应采集单元的以太网交换机通信，在处理器开始读取数据后将光谱数据传输给处理器；
(7)处理器实时将含矸率数据传给顺槽主控计算机，保存历史数据信息；将光谱数据分析得到的含矸率与根据煤层地理信息判断应有的含矸率阈值进行比较；
(8)当输出刮板输送机上的含矸率超过设定的含矸率阈值，产生警告信息传给顺槽主控计算机，顺槽主控计算机发送信号至放煤控制器使电液阀控制器停止放煤，同时关闭光源探头装置。所述含矸率阈值的设置根据具体综放工作面输入的地理信息确定。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益的技术效果：
本发明根据光谱煤矸识别技术提出一种可在全工作面实施的煤矸识别系统，利用该系统可以实现自动化放顶煤，从采集得到的光谱数据中获取特征，根据光谱特征与煤矸混合物中矸石含量的关系，分析落到刮板输送机上的含矸率等煤矸信息，为放煤口关闭提供数据支持。光源探头装置可实现对刮板上煤矸混合物高频实时探测采集，监控整个放煤过程中含矸率变化。在全工作面布置煤矸识别系统可对每个放煤支架进行监控，通过中控室控制电液控制阀的开闭。
由于物质的反射和吸收光谱特征能够反映物质组成成分和结构，因此可根据煤岩光谱曲线特征进行煤岩识别，提高了煤矸识别的准确性。通过设置采集单元对全工作面划分为多个小区域，通过单光谱仪采集该区域全部光谱信息，可有效降低布置系统所需设备成本，减小设备数量繁多引起系统可靠性问题。将处理器布置在顺槽中控室有利于集中管理，无需挤占狭小的液压支架布置空间，消除由于布置位置引起的各种安全隐患。在光谱仪旁布置多通道光开关可以消除由于使用多分叉式光纤带来的光路不对心问题，降低反射光在经过光纤传输过程中的损耗。通过网线将计算机和光谱仪连接起来，网线传输速度快且可以通过拓扑结构实现一台处理器控制多台光谱仪，为实现全工作面布置提供实现基础。本发明结构简单，成本低廉，稳定可靠，可以有效提高放顶煤自动化程度。
附图说明
图1是放煤控制系统采集单元布置原理图；
图2是放煤控制系统采集单元现场布置俯视图；
图3是放煤控制系统采集单元现场布置侧视图；
图4是放煤控制系统综放工作面现场布置示意图；
图5是放煤控制系统工作流程图；
其中，1-光谱仪；2-多通道光开关；3-光源探头装置；4-液压支架；5-刮板输送机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
本发明所述的一种基于煤矸识别的全综放工作面放煤控制系统，包括若干个采集单元，若干组以太网交换机与处理器，顺槽主控计算机；
如图1-3所示，每个采集单元包括多个光源探头装置3、多通道光开关2和光谱仪1，所述光源探头装置3安装在液压支架4后尾梁上，通过继电器与支架控制器连接，所述多通道光开关2和光谱仪1固定在电液阀控制器下侧，多通道光开关2通过光纤分别与光谱仪1和光源探头装置3连接，同时多通道光开关2还通过线缆与光谱仪1连接，光源探头装置3与控制放煤口的电液阀控制器连接；光谱仪1通过内置的控制口切换多通道光开关2实现对多台放顶煤液压支架4放煤数据的采集；
所述以太网交换机与处理器设置在顺槽中控室，以太网交换机通过网线与处理器和n个光谱仪1连接，每个处理器用于分析来自n个采集单元的数据，处理器通过RS485与顺槽主控计算机连接，如图4所示；
所述处理器执行以下操作：对处理器内置的回归模型进行修正，改变用于含矸率分析所使用的标准光谱数据库内容，设置含矸率阈值，测试是否所有采集单元都被找到；接收顺槽主控计算机发送动作支架的编号，根据接收到的编号获取该采集单元处的光谱仪1的IP地址，激活光谱仪1并建立通信，利用光谱仪1控制多通道光开关切换到给定编号的光纤通道；通过网线定时接收光谱仪1输出的光谱数据，内置的回归模型根据光谱数据生成含矸率；实时将含矸率数据传给顺槽主控计算机，保存历史数据信息。
本发明实现一种基于煤矸识别的全综放工作面放煤控制方法，包括以下步骤：
(1)将综放工作面分割为若干个采集单元，每个采集单元中包括多个光源探头装置3、多通道光开关2和光谱仪1，单个光谱仪1通过切换多通道光开关2采集综放工作面上多台放顶煤液压支架4放煤数据；
(2)在顺槽中控室设置相应数量的以太网交换机与处理器，每个处理器分析来自n个采集单元的数据，并将数据传递至顺槽主控计算机；
(3)系统运行之前，根据系统布置的具体综放工作面特性对处理器中回归模型进行修正，改变用于含矸率分析所使用的标准光谱数据库内容，设置含矸率阈值，同时测试是否所有采集单元都被找到，确保系统可靠稳定后启动系统开始运行；所述综放工作面特性包括煤层分布、放煤工艺；
(4)放煤开始，根据放煤工艺顺槽主控计算机确定直接放煤支架，发送支架序号给支架总控制器并由该直接放煤支架控制器启动对应支架电液比例阀，同时发送DO信号给继电器控制光源探头装置3启动；所述继电器由支架控制器控制，当该支架开始放煤后控制器点亮光源；
(5)随着液压支架4后尾梁摆动，光源照射到落在刮板输送机5的放顶煤上，同时顺槽主控计算机发送动作支架的编号给相应处理器，处理器根据接收到的编号获取该采集单元处的光谱仪1的IP地址，激活光谱仪1并建立通信，利用光谱仪1控制多通道光开关2切换到给定编号的光纤通道；
(6)光源发射的近红外光束遇到煤矸混合物后反射被探头接收，探头接收到的反射光经光纤传回光谱仪1中并在光谱仪1中分析转化为光谱数据，将采集到的光谱数据通过网线定时传给处理器，处理器内置的回归模型根据光谱数据生成含矸率；所述光谱仪先与相应采集单元的以太网交换机通信，在处理器开始读取数据后将光谱数据传输给处理器；
(7)处理器实时将含矸率数据传给顺槽主控计算机，保存历史数据信息；将光谱数据分析得到的含矸率与根据煤层地理信息判断应有的含矸率阈值进行比较；
(8)当输出刮板输送机5上的含矸率超过设定的含矸率阈值，产生警告信息传给顺槽主控计算机，顺槽主控计算机发送信号至放煤控制器使电液阀控制器停止放煤，同时关闭光源探头装置3。所述含矸率阈值的设置根据具体综放工作面输入的地理信息确定。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于煤矸识别的全综放工作面放煤控制系统，其特征在于：该系统包括若干个采集单元，若干组以太网交换机与处理器，顺槽主控计算机；
每个采集单元包括多个光源探头装置、多通道光开关和光谱仪，所述光源探头装置安装在液压支架后尾梁上，通过继电器与支架控制器连接，所述多通道光开关和光谱仪固定在电液阀控制器下侧，多通道光开关通过光纤分别与光谱仪和光源探头装置连接，同时多通道光开关还通过线缆与光谱仪连接，光源探头装置与控制放煤口的电液阀控制器连接；光谱仪通过内置的控制口切换多通道光开关实现对多台放顶煤液压支架放煤数据的采集；
所述以太网交换机与处理器设置在顺槽中控室，以太网交换机通过网线与处理器和n个光谱仪连接，每个处理器用于分析来自n个采集单元的数据，处理器通过RS485与顺槽主控计算机连接；
所述处理器执行以下操作：对处理器内置的回归模型进行修正，改变用于含矸率分析所使用的标准光谱数据库内容，设置含矸率阈值，测试是否所有采集单元都被找到；接收顺槽主控计算机发送动作支架的编号，根据接收到的编号获取该采集单元处的光谱仪IP地址，激活光谱仪并建立通信，利用光谱仪控制多通道光开关切换到给定编号的光纤通道；通过网线定时接收光谱仪输出的光谱数据，内置的回归模型根据光谱数据生成含矸率；实时将含矸率数据传给顺槽主控计算机，保存历史数据信息。
2.根据权利要求1所述系统实现的一种基于煤矸识别的全综放工作面放煤控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将综放工作面分割为若干个采集单元，每个采集单元中包括多个光源探头装置、多通道光开关和光谱仪，单个光谱仪通过切换多通道光开关采集综放工作面上多台放顶煤液压支架放煤数据；
(2)在顺槽中控室设置相应数量的以太网交换机与处理器，每个处理器分析来自n个采集单元的数据，并将数据传递至顺槽主控计算机；
(3)系统运行之前，根据系统布置的具体综放工作面特性对处理器中回归模型进行修正，改变用于含矸率分析所使用的标准光谱数据库内容，设置含矸率阈值，同时测试是否所有采集单元都被找到，确保系统可靠稳定后启动系统开始运行；所述综放工作面特性包括煤层分布、放煤工艺；
(4)放煤开始，根据放煤工艺顺槽主控计算机确定直接放煤支架，发送支架序号给支架总控制器并由该直接放煤支架控制器启动对应支架电液比例阀，同时发送DO信号给继电器控制光源探头装置启动；
(5)随着液压支架后尾梁摆动，光源照射到落在刮板输送机的放顶煤上，同时顺槽主控计算机发送动作支架的编号给相应处理器，处理器根据接收到的编号获取该采集单元处的光谱仪IP地址，激活光谱仪并建立通信，利用光谱仪控制多通道光开关切换到给定编号的光纤通道；
(6)光源发射的近红外光束遇到煤矸混合物后反射被探头接收，探头接收到的反射光经光纤传回光谱仪中并在光谱仪中分析转化为光谱数据，将采集到的光谱数据通过网线定时传给处理器，处理器内置的回归模型根据光谱数据生成含矸率；
(7)处理器实时将含矸率数据传给顺槽主控计算机，保存历史数据信息；将光谱数据分析得到的含矸率与根据煤层地理信息判断应有的含矸率阈值进行比较；
(8)当输出刮板输送机上的含矸率超过设定的含矸率阈值，产生警告信息传给顺槽主控计算机，顺槽主控计算机发送信号至放煤控制器使电液阀控制器停止放煤，同时关闭光源探头装置。
3.根据权利要求2所述的一种基于煤矸识别的全综放工作面放煤控制方法，其特征在于：步骤(4)中所述继电器由支架控制器控制，当该支架开始放煤后控制器点亮光源。
4.根据权利要求2所述的一种基于煤矸识别的全综放工作面放煤控制方法，其特征在于：步骤(6)中所述光谱仪先与相应采集单元的以太网交换机通信，在处理器开始读取数据后将光谱数据传输给处理器。
5.根据权利要求2-4任一所述的一种基于煤矸识别的全综放工作面放煤控制方法，其特征在于：步骤(8)中含矸率阈值的设置根据具体综放工作面输入的地理信息确定。
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