宁东旭 曹阿军 张 甜 曹瑞琴

（1.运城职业技术学院，运城 044000；2.山西长江源房地产开发有限公司，运城 044000）

1 研究矿井工作面条件

教学矿井由山西省蒲县宏源煤业集团投资建设，地处运城职业技术学院校园内。教学矿井的建设以现代化矿井的技术含量为要求，以我国当前煤矿中等装备为水平，按照煤矿质量标准化标准以1:1的比例建设了井巷工程，形成了真实的大型现代化煤矿生产现场和环境。教学矿井布置有综采工作面、高档普采工作面、煤巷综掘工作面、岩巷炮掘工作面、探放水掘进工作面、探测煤与瓦斯突出掘进工作面等，本文对综采工作面采煤自动化系统进行应用研究。

1.1 平台建设

教学矿井中心机房网络构成基础为100Mbps局域网，信息传输系统采用主干网传输速率为100Mbps的工业以太环网系统，主要参数如表1所示。

表1 交换机主要参数

1.2 综采工作面巷道参数

综采工作面巷道参数，如表2所示。

表2 综采工作面巷道参数

1.3 工作面主要设备

工作面主要设备参数，如表3所示。

表3 工作面主要设备参数

2 总体设计思想及原则

采煤工作面自动化系统的设计与应用使教学矿井达到国内一流的自动化采煤工作面水平；实现了教学矿井采煤的网络化数据采集、信息化生产调度及科学化的经营管理和决策指挥。系统设计应实现井上下对采煤机操作的信息共享与联通，各子系统能够充分共享信息资源和设备资源，实现各个系统协同有序运行。

充分利用教学矿井现有的资源，并以此为基础力争将教学矿井采煤工作面自动化系统建设成为区域领先、国内先进的自动化采煤系统，为煤炭企业职工安全培训、高等院校学生实践教学和科研院所煤炭科研打造一个信息化示范工程。

3 设计目标

以教学矿井工业以太环网为基础，通过建立采煤工作面自动化系统，促进矿井综合信息化建设；提高教学矿井整体生产工业化水平，实现集中控制、集中调度、集中指挥；形成完整的、具有教学矿井特色的综合自动化系统应用模式。

4 系统设计

采煤工作面自动化系统主要系统包括液压支架监控系统、电牵引采煤机控制系统、工作面设备顺序控制系统，辅助系统包括视频监控系统、胶带输送机自动控制系统等，其设计效果图如图1所示。系统主要监控综采工作面的三机配套运行情况，即液压支架、采煤机、刮板输送机等设备的工况。

图1 系统设计效果图

图2 电液控制系统示意图

在地面信息调度指挥中心，工作人员操作上位机软件系统，实时监控系统运行情况、监视设备运行画面并能实时发布控制命令等。系统根据采煤机输入的信息，对采煤机进行连续跟踪，各子系统间相互配合自动控制液压支架和工作面上的其他设备，从而完成整个自动化采煤过程。

5 现场应用

5.1 支架改造

教学矿井综采工作面使用的是ZY2800/12/25支撑掩护式支架。支架改造工作主要包括液压系统的改造设计、电气产品安装位置设计、通信电缆及液压胶管的走向设计、控制系统一致性和兼容性的处理等。同时，改造完成的支架需满足支架出厂的各项验收条件和电液控制系统的各项控制功能要求。

5.2 液压系统改造

液压系统的改造主要包括换向阀的变更、液压胶管排布及更换等方面。为了满足电液控制系统的正常运行，在总供液部分需增加自动反冲洗高压过滤站，每台支架内增加手动反冲洗过滤器。

5.3 电液控制系统改造

电液控制系统改造需增加的电控部件有控制器、驱动器、隔离器、电源、压力传感器、红外传感器、无线收发器以及相应的连接电缆等，如图2所示。

图3 采煤机控制改造示意图

5.4 视频监控系统改造

20个支架分布4个摄像头，平均5个支架、1台摄像仪，需要配套安装2台电源及2台网络转换器。

5.5 输送机控制改造

输送机目前直接通过负荷中心的按钮进行控制，需要改造为远程控制。利用负荷中心厂家预留的基于RS485的Modbus通信接口，提供通信技术协议。

5.6 采煤机控制改造

采煤机自身的控制系统负责采集采煤机的各项监测数据，传输至远程监控电脑，并执行监控电脑的远程控制命令。在硬件连接上，为了确保采煤机控制数据在传输过程中的可靠性，采用抗干扰能力比较强的RS485总线和采煤机通信，如图3所示。

5.7 胶带输送机控制改造

利用胶带输送机控制分站的ModBus-TCP通信接口提供通信协议，并通过通信电缆连接至监控中心。

5.8 采煤自动化系统软件设计

采煤工作面自动化控制系统上位机软件的集成画面参考各子系统厂商的画面，主要包括采煤机系统界面、胶带输送机监控界面、液压支架监控界面等。它可以实现对工作面设备运行状态信息、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；完成对工作面采煤机、胶带输送机、液压支架电液控制系统等信息的集中监测、显示、传输；将与生产管理有关的信息通过矿井环网实时地传输到地面主机，并根据需要在地面进行存储、显示和数据传输。

软件系统采用C/S架构实现在地面信息调度指挥中心能够实时采集各设备的监测数据和控制采煤机、支架等主要生产设备的动作，监控软件拓扑结构如图4所示。

6 结论

教学矿井综采工作面地质条件稳定，煤层赋存条件较好，适合建立采煤自动化系统。教学矿井设备改造成熟，信息传输系统可靠，软件接口相互兼容，具备建设采煤自动化系统条件。采煤自动化系统的设计与应用能提高教学矿井的安全生产能力和信息自动化建设水平，能为教学矿井创造更多的经济效益和社会效益。

图4 监控软件拓扑结构