CN113685179A - 一种煤矿综采工作面自动化控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种煤矿综采工作面自动化控制系统及其控制方法，包括井下设备控制层，用于获取并上传井下设备的运行数据，以及接收并执行集控中心发送的控制指令；集控中心层，用于接收井下设备控制层发送的运行数据，分析处理运行数据并向井下设备控制层下发控制指令，以及向地面调度指挥中心层上传井下设备的运行数据；地面调度指挥中心层，用于接收集控中心层发送的井下设备的运行数据，向集控中心层发送针对井下设备控制的远程控制指令。通过本发明的技术方案，将自动化综采工作面技术推进到智能实用化阶段，并且采用5G无线通讯能实现更快传输和加长传输距离，通信信号更加稳定，并且传输效率高，能够达到实时监控的目的。

Description

一种煤矿综采工作面自动化控制系统及其控制方法

技术领域

本发明属于煤矿采集设备领域，具体地说涉及一种煤矿综采工作面自动化控制系统及其控制方法。

背景技术

由于煤矿开采作业通常在很深的地下进行，地形结构较为复杂，稍有不慎就会发生坍塌等事故，对开采煤矿的工作人员造成极大的安全隐患，这促使自动化采煤系统的发展。目前自动化采煤系统主要流行的是综采工作面局部自动化、综采工作面半自动化和综采工作面全自动化。

综采工作面局部自动化是指在综采工作面中，某一种或几种设备自身在不受外界条件影响下可实现自动化动作，而不需要人工操作。如支架电液控制系统的跟机拉架、自动降、移、升等；采煤机的牵引速度自动调节、滚筒的记忆切割、刮板输送机的自动张紧等。局部自动化只能提高单品种设备的自动化程度，在一定程度上减轻矿工的劳动强度，不能明显减少作业人员，但它是自动化工作面的基础。局部自动化的这些自动控制项目都是机械设备根据自身动作规律进行小范围自动调节和控制，其动作条件是假设周边条件不变的情况下进行的，在地面演示或在煤层非常稳定的条件下也可以实现整个工作面自动化，但从控制原理上看，它是属于“开环控制”。但在实际应用中由于工作面生产条件经常受地质条件变化、设备之间时空关系的变化等影响，“开环控制”很难正常工作。要实现整个工作面的自动化运行，仅有局部自动化功能是不够的，因为综采工作面是很多机械联动，地质条件也是随时变化的。

综采工作面半自动化是指在局部设备具备部分单机自动化功能的前提下，在工作面端头进行由人工干预的控制，根据具体情况，又分2种情况：①在条件理想化的情况下，工作面的中间段由端头控制中心控制单机(局部机械)实现自动化运行，②在条件发生变化的情况下或复杂工艺段，可在端头控制中心根据视频信号，进行人员远程操作，如情况复杂，人员可进入工作面进行直接干预，但该控制仍然必须人员的现场操作。

综采工作面全自动化应该具备较高水平的自动化控制功能，基本实现采煤的无人化。从工艺设计开始(如斜切进刀、割三角煤、扫底煤、自动调高等)，到各设备之间的协调控制(如自动配液、顺序启动、集中送电、滚筒自动调高、自动拉架推溜、自移机尾、链条设备自动张紧、工作面一键启停、设备干涉自动检测等)；采用无线通信、视频跟机监控、图像自动拼接等技术；所有操作都在工作面控制中心协调完成。综采工作面全自动化系统还有很多不完善的地方，导致各系统相互协调仍会有很多问题，并且仍需要人的监控，目前还不能达到无人化的技术水准。

因此，现有技术还有待于进一步发展和改进。

发明内容

针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种煤矿综采工作面自动化控制系统及其控制方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种煤矿综采工作面自动化控制系统，包括：

井下设备控制层，用于获取并上传井下设备的运行数据，以及接收并执行集控中心发送的控制指令；

集控中心层，用于接收井下设备控制层发送的运行数据，分析处理运行数据并向井下设备控制层下发控制指令，以及向地面调度指挥中心层上传井下设备的运行数据；

地面调度指挥中心层，用于接收集控中心层发送的井下设备的运行数据，向集控中心层发送针对井下设备控制的远程控制指令。

进一步的，所述井下设备控制层包括采煤工作面相关的生产、运输和支护设备的控制PLC，所述控制PLC与集控中心层建立5G通信连接，接收并执行集控中心层发送的控制指令。

进一步的，所述井下设备控制层包括对应采煤工作面相关的生产、运输和支护设备设置的用于获取相应设备状态数据的感测装置，各感测装置与对应的控制PLC通信连接。

进一步的，所述井下设备控制层包括用于采集采煤工作面相关的生产、运输和支护设备实时画面的摄像装置，摄像装置与集控中心层通信连接。

进一步的，集控中心层包括：

集控通信模块，用于分别与井下设备控制层和地面调度指挥中心层通信连接；

信号处理模块，用于解析并处理由集控通信模块所接收的通信数据；

分析模块，用于分析处理井下设备控制层发送的设备运行数据，并基于分析结果计算得到控制指令；

执行模块，用于将分析模块计算得到控制指令、或通过集控通信模块接收到的地面调度指挥中心层发送的远程控制指令发送至井下设备控制层。

进一步的，所述井下设备控制层与集控中心层的5G通信连接是以KT517－F矿用本安型无线通信基站建立的5G无线通讯。

一种煤矿综采工作面自动化控制系统实现的控制方法，包括：

井下设备控制层实时上传监测数据至集控中心层；

集控中心层对各监测数据进行识别判断，将其中判断为异常监测数据的，按照预设关联逻辑，查找与当前异常监测数据相符合的异常事件；

基于所查找到的异常事件在决策数据库中调用相应的控制指令；

将控制指令发送至相应的井下设备控制层对设备运行进行控制。

进一步的，当集控中心层判断与异常事件关联的其中部分监测数据存在异常时，则向井下设备控制层发送调用当前与异常事件关联的其余监测数据的请求，接收并对井下设备控制层发送的与异常事件关联的其余监测数据进行关联逻辑判断，判断异常事件的发生概率，其中，异常事件发生概率与该异常事件关联的监测数据匹配程度成正比，异常事件关联的各监测数据具有不同的权重，不同权重的监测数据对异常事件发生概率的影响程度不同。

进一步的，地面调度指挥中心层发送的远程控制指令的优先级高于集控中心层生成的控制指令优先级，当集控中心层接收到地面调度指挥中心层发送的远程控制指令后，查找该远程控制指令所对应的井下设备控制层是否正在执行集控中心层的控制指令，若是，则将远程控制指令发送至井下设备控制层覆盖原有的控制指令，由井下设备控制层执行远程控制指令。

进一步的，集控中心层所查找到异常事件为预设重大异常事件库中项目，或者异常事件的发生概率位于无法做出有效判断的预设模糊概率范围内，则集控中心层向地面调度指挥中心层发送远程协助请求，所述远程协助请求中包括相关监测数据和集控中心层判断分析结果；

地面调度指挥中心层基于请求做出分析判断，并向集控中心层发送远程控制指令，集控中心层向井下设备控制层下发远程控制指令。

有益效果：

通过本发明煤矿综采工作面的自动化技术方案，将自动化综采工作面技术推进到智能实用化阶段。从优化工艺开始，建立系统控制概念，避免不同设备厂家单打独斗的现象，真正实现综采工作面的自动化运行，实现无人和少人化作业，从而把采煤工人从恶劣环境中解放出来，并且将自动化过程升级为智能自动化，实现行走、割煤、支护、装煤以及运煤过程的全自动，在特殊情况出现时能够通过检测识别后推理相应的控制策略。采用5G无线通讯能实现更快传输和加长传输距离，通信信号更加稳定，并且传输效率高，能够达到实时监控的目的。

附图说明

图1本发明的煤矿综采工作面自动化控制系统原理框图；

图2是本发明的煤矿综采工作面自动化控制系统拓扑结构示意图；

图3是本发明的煤矿综采工作面自动化控制系统实现的控制方法流程图。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。

如图1、2所示，一种煤矿综采工作面自动化控制系统，包括：

井下设备控制层100，用于获取并上传井下设备的运行数据，以及接收并执行集控中心发送的控制指令；井下设备控制层100主要是生产、运输和支护设备，也就是被控制设备，包括采煤机、支架、刮板机、破碎机、转载机、泵站、组合开关、马蒂尔(皮带机自移机尾)等设备。

集控中心层200，用于接收井下设备控制层100发送的运行数据，分析处理运行数据并向井下设备控制层100下发控制指令，以及向地面调度指挥中心层300上传井下设备的运行数据；集控中心层200主要是总控设备，包括主控站、控制台、泵站总控、马蒂尔总控等。

地面调度指挥中心层300，用于接收集控中心层200发送的井下设备的运行数据，向集控中心层200发送针对井下设备控制的远程控制指令。地面调度指挥中心层300主要通过地面远程控制井下设备的运行状态，意在将目前井下所有独立运行的设备看做一个整体互相配合运行起来，。

进一步的，井下设备控制层100包括采煤工作面相关的生产、运输和支护设备的控制PLC，控制PLC与集控中心层200建立5G通信连接，接收并执行集控中心层200发送的控制指令。采用5G无线通讯为整体主要通讯方式，主要采用5G设备有发射基站和接收基站，发射基站安装在自制采煤机上，接收基站安装在井下液压支架上。采用KT517－F矿用本安型无线通信基站。它是专门为煤矿井下无线通信系统使用而设计的一款高性能通信基站。该基站为矿用本质安全型设备，防护等级为IP54，防爆型式为矿用本质安全型，防暴标志为Exib I Mb。

进一步的，井下设备控制层100包括对应采煤工作面相关的生产、运输和支护设备设置的用于获取相应设备状态数据的感测装置，各感测装置与对应的控制PLC通信连接。

进一步的，井下设备控制层100包括用于采集采煤工作面相关的生产、运输和支护设备实时画面的摄像装置，摄像装置与集控中心层200通信连接。

进一步的，集控中心层200包括：

集控通信模块，用于分别与井下设备控制层100和地面调度指挥中心层300通信连接；各生产、运输和支护设备主要进行和集控中心层200之间的通讯，从设备控制层100工作面至集控中心层200的数据传输介质为采煤机将数据通过5G信号发送至机头后再转换成光纤信号传送至集控中心层200。

信号处理模块，用于解析并处理由集控通信模块所接收的通信数据；集控中心层200预留多种通讯协议接口可匹配矿上各种设备不同通讯协议的数据，同时采煤机左右机身会安装有四个摄像头，由于5G数据传输为实时传输无延迟，集控中心层200集控中心显示器可以实时显示采煤机截割过程中的运行状态画面。

分析模块，用于分析处理井下设备控制层100发送的设备运行数据，并基于分析结果计算得到控制指令；采煤机内部软件编入程序差异化记忆割煤，例如，煤机司机可在控制中心通过操作平台或遥控器操作采煤机行进方向滚筒，采煤机割底滚筒自动跟随行进滚筒进行上下调整，保证前后滚筒中心距保持在一定基准的数值范围内，确保可以完全割透顶煤和底煤；采煤机机身安装红外线发射器，液压支架安装红外线接收器，液压支架内部的自动化程序可根据采煤机的行进外置进行提前的拉架和推架动作，刮板运输机机尾链条自张紧装置可以根据采煤机当前运行速度和截割状态进行调节链条松紧状态以及各电机的运行速度，泵站系统根据在液压支架回液管处安装的流量压力传感器自动判别当前液压支架的供液需求情况自动调节泵的运行速度，马蒂尔处安装自动化系统，使马蒂尔在工作面推移时可以自动调整水平状态和与皮带对准的自动矫直，以上功能最终均会通过通讯和数据交换传输至集控中心层200，所有设备的信息采集及控制均由集控中心层200独立完成，并且集控中心层200具备与组合开关的关联控制功能，可以控制组合开关的供电状态及供电顺序。

执行模块，用于将分析模块计算得到控制指令、或通过集控通信模块接收到的地面调度指挥中心层300发送的远程控制指令发送至井下设备控制层100；最终井下所有的数据会通过井下集控中心层200传输至地面调度指挥中心层300，井上地面调度指挥中心层300具备与集控中心层200的同样功能，可远程控制井下设备控制层100工作面所有设备，且可以自动生成多种类型的工程数据报告，包括检修、产能、磨损情况等，同时具备自动邮件发送功能，可将井下井下设备控制层100的运行状态以邮件和报表的形式发送给相关人员。

进一步的，井下设备控制层100与集控中心层200的5G通信连接是以KT517－F矿用本安型无线通信基站建立的5G无线通讯。该基站在煤矿综合信息系统中在传输层上以实现网络互连，是协议转换器，能够连接不同网络的软件和硬件的结合产品。完成到煤矿井下工业以太网的协议转换。通过矿井工业以太网传输，把各种现场信息数据汇接到矿井骨干通信网络。该基站在环境温度：0℃～+40℃、平均相对湿度：≤95％(25℃)、大气压力：80kPa～106kPa、煤矿井下有甲烷、煤尘爆炸性气体混合物，但无显著振动和冲击、无破坏绝缘的腐蚀性气体等环境条件下安全稳定的运行。

如图3所示，一种煤矿综采工作面自动化控制系统实现的控制方法，包括：

S100、井下设备控制层100实时上传监测数据至集控中心层200；

S200、集控中心层200对各监测数据进行识别判断，将其中判断为异常监测数据的，按照预设关联逻辑，查找与当前异常监测数据相符合的异常事件；

S300、基于所查找到的异常事件在决策数据库中调用相应的控制指令；

S400、将控制指令发送至相应的井下设备控制层100对设备运行进行控制。

进一步的，当集控中心层200判断与异常事件关联的其中部分监测数据存在异常时，则向井下设备控制层100发送调用当前与异常事件关联的其余监测数据的请求，接收并对井下设备控制层100发送的与异常事件关联的其余监测数据进行关联逻辑判断，判断异常事件的发生概率，其中，异常事件发生概率与该异常事件关联的监测数据匹配程度成正比，异常事件关联的各监测数据具有不同的权重，不同权重的监测数据对异常事件发生概率的影响程度不同。集控中心层200包括了数据采集、故障诊断、姿态检测、数据融合、记忆截割、预警预报、连锁控制以及控制策略等程序，能够根据预设数据对当前数据情况进行监测、比较，然后通过计算，执行相对应的预设程序。

进一步的，地面调度指挥中心层300发送的远程控制指令的优先级高于集控中心层200生成的控制指令优先级，当集控中心层200接收到地面调度指挥中心层300发送的远程控制指令后，查找该远程控制指令所对应的井下设备控制层100是否正在执行集控中心层200的控制指令，若是，则将远程控制指令发送至井下设备控制层100覆盖原有的控制指令，由井下设备控制层100执行远程控制指令。地面调度指挥中心层300既可以统筹各控制层相互配合，同时也能单独分析每个设备当前的运行状态并进行远程干预。

进一步的，集控中心层200所查找到异常事件为预设重大异常事件库中项目，或者异常事件的发生概率位于无法做出有效判断的预设模糊概率范围内，则集控中心层200向地面调度指挥中心层300发送远程协助请求，远程协助请求中包括相关监测数据和集控中心层200判断分析结果；地面调度指挥中心层300基于请求做出分析判断，并向集控中心层200发送远程控制指令，集控中心层200向井下设备控制层100下发远程控制指令。地面调度指挥中心层300作为整个智能化控制系统的核心控制层，统一整个系统的运算执行规则，防止各个控制系统间的运算冲突。地面调度指挥中心层300具有部分人工智能，可提供出特别的控制策略，将传统自动化工作流程升级为智能化工作流程，从检测—比较—计算——执行过程升级为检测—识别—推理(运算)—决策—执行过程。例如，遇到煤层突然变化，系统自动识别煤岩并自适应调节设备动作；根据运输系统的负荷能力调节采煤机的割煤速度；根据瓦斯和通风条件变化调节采煤速度；设备主要部件故障诊断和寿命周期管理等。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (10)

1.一种煤矿综采工作面自动化控制系统，其特征在于，包括：

井下设备控制层，用于获取并上传井下设备的运行数据，以及接收并执行集控中心发送的控制指令；

集控中心层，用于接收井下设备控制层发送的运行数据，分析处理运行数据并向井下设备控制层下发控制指令，以及向地面调度指挥中心层上传井下设备的运行数据；

地面调度指挥中心层，用于接收集控中心层发送的井下设备的运行数据，向集控中心层发送针对井下设备控制的远程控制指令。

2.根据权利要求1所述的煤矿综采工作面自动化控制系统，其特征在于，所述井下设备控制层包括采煤工作面相关的生产、运输和支护设备的控制PLC，所述控制PLC与集控中心层建立5G通信连接，接收并执行集控中心层发送的控制指令。

3.根据权利要求2所述的煤矿综采工作面自动化控制系统，其特征在于，所述井下设备控制层包括对应采煤工作面相关的生产、运输和支护设备设置的用于获取相应设备状态数据的感测装置，各感测装置与对应的控制PLC通信连接。

4.根据权利要求1所述的煤矿综采工作面自动化控制系统，其特征在于，所述井下设备控制层包括用于采集采煤工作面相关的生产、运输和支护设备实时画面的摄像装置，摄像装置与集控中心层通信连接。

5.根据权利要求1所述的煤矿综采工作面自动化控制系统，其特征在于，集控中心层包括：

集控通信模块，用于分别与井下设备控制层和地面调度指挥中心层通信连接；

信号处理模块，用于解析并处理由集控通信模块所接收的通信数据；

分析模块，用于分析处理井下设备控制层发送的设备运行数据，并基于分析结果计算得到控制指令；

执行模块，用于将分析模块计算得到控制指令、或通过集控通信模块接收到的地面调度指挥中心层发送的远程控制指令发送至井下设备控制层。

6.根据权利要求2所述的煤矿综采工作面自动化控制系统，其特征在于，所述井下设备控制层与集控中心层的5G通信连接是以KT517－F矿用本安型无线通信基站建立的5G无线通讯。

7.一种基于权利要求1－6任一项所述煤矿综采工作面自动化控制系统实现的控制方法，其特征在于，包括：

井下设备控制层实时上传监测数据至集控中心层；

集控中心层对各监测数据进行识别判断，将其中判断为异常监测数据的，按照预设关联逻辑，查找与当前异常监测数据相符合的异常事件；

基于所查找到的异常事件在决策数据库中调用相应的控制指令；

将控制指令发送至相应的井下设备控制层对设备运行进行控制。

8.根据权利要求7所述基于煤矿综采工作面自动化控制系统实现的控制方法，其特征在于，当集控中心层判断与异常事件关联的其中部分监测数据存在异常时，则向井下设备控制层发送调用当前与异常事件关联的其余监测数据的请求，接收并对井下设备控制层发送的与异常事件关联的其余监测数据进行关联逻辑判断，判断异常事件的发生概率，其中，异常事件发生概率与该异常事件关联的监测数据匹配程度成正比，异常事件关联的各监测数据具有不同的权重，不同权重的监测数据对异常事件发生概率的影响程度不同。

9.根据权利要求8所述基于煤矿综采工作面自动化控制系统实现的控制方法，其特征在于，地面调度指挥中心层发送的远程控制指令的优先级高于集控中心层生成的控制指令优先级，当集控中心层接收到地面调度指挥中心层发送的远程控制指令后，查找该远程控制指令所对应的井下设备控制层是否正在执行集控中心层的控制指令，若是，则将远程控制指令发送至井下设备控制层覆盖原有的控制指令，由井下设备控制层执行远程控制指令。

10.根据权利要求8所述基于煤矿综采工作面自动化控制系统实现的控制方法，其特征在于，集控中心层所查找到异常事件为预设重大异常事件库中项目，或者异常事件的发生概率位于无法做出有效判断的预设模糊概率范围内，则集控中心层向地面调度指挥中心层发送远程协助请求，所述远程协助请求中包括相关监测数据和集控中心层判断分析结果；

地面调度指挥中心层基于请求做出分析判断，并向集控中心层发送远程控制指令，集控中心层向井下设备控制层下发远程控制指令。

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