煤矿综采工作面自动控制系统
煤矿综采工作面自动控制系统,
一、概述
综采工作面自动化控制系统以地面监控平台及顺槽监控平台为核心，以千兆以太网、无线及现场总线为数据传输平台，对现场设备状态、视频、音频等信息进行采集及数据分析，在顺槽监控中心及地面调度室实现对采煤机、液压支架、刮板输送机、转载机、破碎机、顺槽胶带机、液压泵站、供电设备等综采设备进行远程监测和控制。系统集成了工业以太网、现场总线、无线数据传输、现场可编程和现场可组态技术，独立开发，拥有自主知识产权，可满足用户个性化要求。嵌入式系统、多主并发处理及冗余总线等多种技术的融合，系统性能可靠、实时性强、容易维护、操作简便，为综采工作面目前实现少人化最终无人化提供可行的解决方案。
二、系统特点
（1）提供从子系统到综采工作面集控系统的完整解决方案
（2）顺槽集控、地面集控双中心模式，每个中心与现场系统直接相连，单台集控计算机的损坏不会影响集控功能
（3）各子系统控制独立，数据共享，保证控制的可靠性
（4）可以根据用户的实际情况进行灵活增减，已有的子系统可以直接接入集控系统，节约投资
（5）采用千兆环网作为主干网络，保证通信的高效、高速和高可靠性
（6）子系统之间、子系统与SCADA之间采用以太网进行传输，保证最快的响应周期和最大的数据吞吐量
（7）子系统内采用以太网或现场总线通信方式取代原有的节点控制，减少现场的布线量，提高了通信速度和可靠性
（8）无线信号能覆盖整个工作面，可以使用无线遥控器启停控制工作面全部设备
（9）Wifi无线接入，可通过智能终端访问系统数据
（10）工作面沿线扩音电话具备与调度室双向通话功能
（11）兼容精确人员定位系统
（12）系统可以扩展远程移动终端APP功能，使用手机可以查看井下集控系统的状态
（13）具备以太网、RS485、CAN等接口，对外采用标准、开放的通信协议
（14）工作面磁力启动器、变频器、综保等设备的集中控制和监测
（15）可接入煤机控制装置，实现采煤机工作面远程数据上传、远程控制和自动化割煤
（16）可接入支架电液控制装置，实现全自动液压支架控制，自动跟机拉架，成组动作
（17）机电设备启动、停车、故障均具备语音预警功能；
（18）采用接插光缆和接插电缆连接，减少设备的安装和维护时间
（19）采用组态方式进行系统的部署，不需用户修改程序便可以实现系统软硬件的扩充、控制对象的改变
（20）核心主机、分站等采用模块化结构，模块软硬件通用，可以方便的替换
（21）闭锁、急停扩音电话采用冗余总线方式通信，总线互相冗余，并带有独立的安全回路，可以硬件断开输出
（22）具备自动识别技术，沿线的设备类型、地址能自动识别，无需人工配置或打开设备设置地址
（23）具备设备故障诊断及在线监测功能，可以显示设备工作状态、定位故障位置
（24）主机、现场控制分站、无线基站等程序均可在线升级，无需返厂或升井离线升级
（25）软硬件完全自主开发，可以针对现场进行软硬件定制，及时响应满足用户的需求
三、典型系统结构
（1）系统结构图一：综采工作面目前没有控制子系统或仅有少数子系统
从现场设备传感器层开始统筹构建各子系统，建设数据传输平台、集控平台。其特点是最大限度发挥装置的性能，控制层级少、系统架构合理，系统控制响应周期短、调试方便。
（2）系统结构图二：综采工作面各控制子系统已有或大部分已有或子系统分步实施
在现有的设备基础上进行系统集成，最大限度的保留利用已有的子系统，子系统通过通信方式接入集控系统。其特点是设备改造量小、设备投资少。
四、系统组成及功能
系统由地面集控中心、顺槽集控中心、千兆环网与无线通信设备、三机控制装置、泵站控制装置、工作面通信控制装置、顺槽皮带保护控制装置、图像监控系统、人员定位系统、液压支架电液控制装置接入、采煤机电控装置接入、供配电设备数据采集装置等组成。
4.1、地面集控中心
地面集控中心由6台工控机、1台交换机、1台IP语音话台、采煤机操作台、液压支架操作台、集控操作台组成。其主要功能有：
（1）采煤机的信息显示与远程程控
（2）支架状态的显示与远程程控
（3）液压泵站系统的显示与远程程控
（4）刮板机、转载机、破碎机的状态显示、调速、操作与远程程控
（5）工作面语音通话功能
（6）顺槽皮带的远程程控与自动调速
（7）工作面视频显示
（8）人员精确定位
（9）组合开关的状态显示与远程程控
（10）移变、磁力启动器的状态显示与远程程控
4.2 顺槽集控中心
顺槽集控室由1台KXH18（G）矿用本安型可编程控制器、1台KDY127矿用隔爆兼本型直流电源、3台KXJ127矿用隔爆兼本安型控制器、6台XH12矿用本安显示屏、1台KJJ12矿用本安型无线接入器、1台KTG12矿用本安型光端机、1台TH12矿用本安型操作台和1台HXH18（F）矿用本安型控制器组成。可用于整个综采工作面所有设备的控制、数据的显示上传、井下视频监控显示和综采工作面无纸化办公。其主要功能有：
（1）采煤机的信息显示与集中程控
（2）支架状态的显示与集中程控
（3）液压泵站系统的显示与集中程控
（4）刮板机、转载机、破碎机的状态显示、调速、操作与集中程控
（5）工作面语音通话功能
（6）顺槽皮带的集中程控与自动调速
（7）工作面视频显示
（8）人员精确定位
（9）组合开关的状态显示与集中程控
（10）移变、磁力启动器的状态显示与集中程控
4.3三机控制装置（破碎机、转载机、运输机）
三机（刮板机、转载机、破碎机）控制装置由KXH18（G）矿用本安型可编程控制器、KXH18（A）矿用本安型可编程控制器（独立控制时需要配置）、DXJ660/18(A)矿用隔爆兼本安型电源箱（独立控制时需要配置）、KXH18（C）矿用本安型控制器、DXJ660/18矿用隔爆兼本安型电源箱、铠装接插电缆、铠装接插网线、压力传感器、温度传感器、振动传感器、位移传感器、隔爆兼本安型电动球阀、本安型电磁先导阀等设备组成。KXH18（C）矿用本安型控制器之间可以采用铠装接插电缆连接，也可以直接使用铠装接插网线连接。其主要功能有：
（1）集控室启停、无线遥控启停、就地启停与管理，实现一键启停、连锁和互锁
（2）满足变频器、高低速、TTT等多种驱动方式的控制
（3）电机、齿轮箱的冷却水压力、冷却水温度的监测保护
（4）电机绕组温度、减速机油温、输入轴温度、输出轴温度的监测和保护
（5）电机、减速机的振动检测和保护
（6）冷却水电动球阀自动控制
（7）刮板机煤流量监测：监测刮板运输机的煤量，实现刮板运输机调速和堆煤保护
（8）刮板机的远程调速与自动调速
（9）刮板机限定电流报警与语音预警
（10）刮板运输机的无线遥控启停
（11）刮板运输机与煤机的双向联动调速
（12）电机状态显示，故障和历史数据记录及数据上传
（13）刮板机自动张紧控制
4.4泵站电控装置
泵站控制装置由KXH18（G）矿用本安型可编程控制器、KXH18（A）矿用本安型可编程控制器（独立控制时需要配置）、DXJ660/18(A)矿用隔爆兼本安型电源箱（独立控制时需要配置）、KXH18（C）矿用本安型控制器、DXJ660/18矿用隔爆兼本安型电源箱、铠装接插电缆、铠装接插网线、本安型电磁阀、压力传感器、温度传感器、振动传感器、液位传感器、乳化液浓度传感器等设备组成。装置可以控制变频乳化泵和喷雾泵站，实现泵站的启停控制、保护及恒压供液。其主要功能有：
（1）乳化泵、喷雾泵的润滑油温度、润滑油压力、润滑油油位、进液口压力的监测与保护
（2）自动控制乳化泵站电子卸载阀，实现系统压力低泵站自动加载，系统压力高泵站自动卸载
（3）泵站欠压启动：泵站运行时，系统压力低于设定值时，备用泵站自动启动
（4）泵站空载停车：当泵站一直处于空载状态运行时，系统自动停止泵站
（5）泵站故障切换功能：泵站运行时，运行中的泵站突发故障停车，备用泵将自动启动
（6）具备泵站运行时间均衡控制：系统记录每台泵的运行时间，系统自动均衡每台泵的运行时间
（7）具备增压泵控制功能和吸液口压力监测功能，避免泵站吸空导致泵站损坏
（8）泵站爆管保护：系统设置爆管监测，当系统发生爆管故障时，系统自动停车
（9）具备变频泵站控制功能：可以根据现场压力大小动态的给定变频器的速度，达到恒压供液的目标
（10）泵站自动补液功能：系统根据液箱液位自动进行补液
（11）泵站就地操作和隔离功能：泵站可以就地手动不加载试运转，也可以通过急停按钮，将泵站隔离锁定，防止泵站在检修时误启动
（12）泵站装置工作面急停功能，可以在工作面设置急停按钮，闭锁乳化液泵站系统，防止维修液压管路时发生危险
（13）喷雾泵站与煤机联动功能，实现先启动泵站，后启动煤机和煤机停车后泵站延迟停车功能
（14）泵站启停和故障时，具备语音预警功能，保证人员的安全
（15）泵站的无线遥控和状态查看
（16）支持远距离供液控制系统
（17）可以扩展自动混液控制功能
（18）可以扩展自动高压过滤站反冲洗功能
4.5工作面通信控制装置
工作面通信控制装置由KXH18（G）矿用本安型可编程控制器、KXH18（A）矿用本安型可编程控制器（独立控制时需要配置）、DXJ660/18(A)矿用隔爆兼本安型电源箱（独立控制时需要配置）、KTK18（B）矿用本安型急停扩音电话、KTK18（D）矿用本安型急停扩音电话、KTA18矿用本安型信号耦合器、DXJ660/18矿用隔爆兼本安型电源箱、铠装接插电缆等设备组成。装置用于控制刮板运输机、转载机、破碎机的启停，工作面沿线和顺槽的语音通话、打点、预警，工作面设备的急停闭锁等。其主要功能有：
（1）实现远距离通信控制功能，集控室与工作面距离可达2000m以上
（2）具有运行状态、沿线电缆状态、沿线电话状态、控制器自检信息及其它连锁设备运行状态等显示功能，可检测沿线电缆的断路位置
（3）实现对沿线每台设备电源的监控，包括沿线电源的电流和机尾的终端电压
（4）沿线采用双总线控制，具备冗余通信功能，一路总线故障，不影响系统运行
（5）采用不锈钢铠装接插拉力电缆，接插件镀金结构，连接部位加装电缆固定装置，防护等级达到IP67以上，通过一根铠装电缆将系统音频、闭锁、拉线急停、数字通讯、系统供电融为一体
（6）闭锁：按下闭锁后， 强制切断控制输出，主控器以汉字和彩色图形的方式显示闭锁位置，沿线扩音电话自动播报闭锁动作位置，响应时间不大于0.1秒
（7）急停扩音电话：声强不小于100分贝、声音清晰；扩音电话带有电池，可显示电池电量，停电后可正常通话，待机不小于72小时
（8）沿线设备类型（闭锁、扩音电话或其它设备）自动识别，地址顺序由主控器进行自动分配，无需进行人工配置或设置地址
（9）地面调度与工作面实现一键广播和一键语音通讯
（10）主机具有以太网、RS485通信，可以与开关或变频器通信，实现周边设备的数据上传
（11）工作方式：远控模式、自动模式、检修模式、手动模式、点动模式
（12）扬声器: 扩音电话壳体采用双腔室设计，扬声器内置
（13）参数设定: 将所有参数内置，所有的改动只需调整参数就可
（14）具备参数U盘导入、导出功能，现场维护非常方便
（15）具备远控功能，通过通信可以实现调度室对系统进行数据监控，参数设置、远程程控
4.6采煤机电控装置接入
采煤机电控装置接入由采煤机厂商负责将数据通过以太网传输到集控中心，并提供相应的通信协议和数据点表，开放远程控制功能，实现以下功能：
（1）通过集控操作台，远程操作采煤机的牵引，摇臂升降和电机的启停
（2）采煤机加装摇臂倾角传感器、机身倾角传感器、编码器、位移校准传感器，具备记忆截割功能
（3）具备记忆割煤人工干预功能，并自动记忆人工干预的结果，用于下刀煤的记忆截割
（4）具备自动割三角煤的功能
（5）可以显示采煤机本的所有状态，具备故障诊断功能
（6）可扩展等高割煤法和煤层曲线割煤法
（7）具备加装惯导的接口
4.7液压支架电液控制装置接入
液压支架电液控制装置接入由支架电液控制系统厂商负责将数据通过以太网传输到集控中心，并提供相应的通信协议和数据点表，开放远程控制功能，实现以下功能：
（1）通过集控操作台，远程操作支架收打互帮、移架和推溜
（2）通过操作台远程操作支架成组收打互帮、自动移架和成组推溜
（3）具备支架自动跟机拉架功能
（4）具备自动补压功能
（5）具备自动推转载机和皮带机自移机尾功能
4.8千兆环网与无线通信装置
千兆环网与无线通信装置由KTG12矿用本安型光端机、KJJ12矿用本安型无线接入器、DXJ660/18矿用隔爆兼本安型电源箱、接插光纤和铠装接插网线等组成。集控中心的KTG12矿用本安型光端机通过光纤与KJJ12矿用本安型无线接入器连接，KJJ12矿用本安型无线接入器之间采用千兆铠装接插网线连接，组成整个工作面传输的千兆环网。其主要功能有:
（1）无线接入器自带WiFi接入功能，实现综采工作面和设备列车WiFi全覆盖
（2）无线接入器具备工作面摄像仪接入功能，摄像机可以就近接入无线综合接入器，实现对整个采面的视频监控
（3）无线接入器具备KXH18（C）矿用本安型控制器接入功能，实现数据采集和程控功能
（4）具备动态管理无线遥控系统功能，可以实现无线遥控器在无线综合接入器之间无缝漫游
（5）无线接入器具备自动IP地址分配功能，可以根据分配的首台设备IP地址自动分配其余无线接入器的IP地址
（6）具备设备IP地址与编号绑定功能，进行控制组态时只需要使用编号，无需记忆设备IP地址和MAC地址
（7）可扩展RS485控制和CAN总线控制功能
4.9皮带保护控制装置
皮带保护控制装置由KXH18（A）矿用本安型可编程控制器、KXH18（C）矿用本安型控制器、KXH18（E）矿用本安型控制器、DXJ660/18(A)矿用隔爆兼本安型电源箱、KTK18（C）矿用本安型拉绳急停扩音电话、KHJ18矿用本安型拉绳急停闭锁开关、GL3-18矿用本安型料流传感器、DXJ660/18矿用隔爆兼本安型电源箱、GEJ20/40矿用本安型跑偏传感器、GUJ19矿用本安型堆煤传感器、GSH6矿用本安型速度传感器、GWH300矿用本安型红外温度传感器、矿用本安型纵撕传感器、矿用本安型张力传感器、以及开停传感器、振动传感器等设备组成。其主要功能有：
（1）控制限矩型、调速型、变频型皮带机
（2）实现对整个皮带运输系统实现集控和调速
（3）具有完备的皮带保护和通信功能，可以中文/图形显示胶带主电机的状态、张力值、胶带速度、实时时钟以及故障、闭锁动作位置、跑偏动作位置、沿线拉力电缆断线位置、闭锁开关及扩音电话状态等信息，同时可以修改本皮带机的各种工作参数以及故障查询和语音报警等功能
（4）皮带机的保护：可实现闭锁、打滑、超温、烟雾、跑偏、纵撕、堆煤、洒水、张力下降、振动的保护。保护动作时，系统沿线可播报具体故障的信息，保护可以设置为报警不停车和报警停车两种保护级别
（5）实现对上级皮带的连锁输入和对下级皮带的连锁输出，具有皮带间连锁、皮带与给煤机间连锁功能，连锁输出可以在沿线电话中直接输出
（6）可以实现给煤机的就地控制、机头控制及集中控制
（7）地面调度与皮带沿线实现一键广播和一键语音通讯
（8）沿线采用双现场总线控制，具备冗余通信功能，一路总线故障，不影响系统运行
（9）皮带沿线通过一根铠装电缆将装置音频、闭锁、拉线急停、数字通讯、装置供电融为一体，也可做为急停闭锁开关的拉绳。电缆采用不锈钢快速接插件，U型销快速连接（防护等级IP67）
（10）主机可以实现对皮带沿线电源的监控，包括电源的电流和机尾的终端电压
（11）全装置沿线统一安全回路，主机可以检测并显示安全回路断开的位置，安全回路可以直接硬件断开主控机的输出
（12）沿线每台急停扩音电话或闭锁开关均能接入跑偏、纵撕等传感器的信号，并能提供用于连锁的输出信号；闭锁动作后控制器能以汉字和彩色图形的方式显示闭锁位置，同时沿线扩音电话自动播报闭锁的动作位置，响应时间不大于0.1秒，可强制切断控制输出
（13）急停扩音电话：声强大于100分贝、声音清晰；扩音电话带有电池，停电后可正常通话不小于24小时；控制器能显示每台扩音电话电池的电量状态；任意两急停扩音电话之间都可以实现语音对讲和打点的功能
（14）可编程控制器能自动识别并显示沿线设备类型（闭锁、扩音电话、分站或其它设备），地址顺序由控制器进行自动分配，无需进行人工配置或设置地址，单条沿线控制长度无中继时应达到4公里
（15）可编程控制器屏幕显示:本安彩色液晶显示屏可显示设备运行状态、故障状态、控制器自检信息、其他设备运行状态、闭锁动作位置、跑偏动作位置、沿线拉力电缆断线位置、闭锁开关及扩音电话状态等
（16）统计：可对装置控制的主要设备的开机时间、开机率等进行统计
（17）历史记录：可对装置的报警信息、故障信息进行历史记录，方便后续问题查找，历史故障条数不低于1000条
（18）故障自诊断：装置具有完善的故障自诊断功能，控制器能检测显示沿线全部闭锁、扩音电话等设备的状态，其中一台设备的故障不能影响其它设备状态的检测；能检测并显示沿线电缆全部芯线的断线状态和位置
（19）语音报警：具有完善的语音报警功能，能够对单个设备的启停、沿线设备动作及故障状态、故障名称及故障位置、各种传感器接入故障等信息进行语音报警及提示
（20）参数设定：控制器应具有现场人员调整维护参数功能，维护人员可以方便的进行运行参数更改，无需厂家派专人修改程序
（21）具备参数U盘导入、导出功能，现场维护非常方便
（22）配置以太网、RS485、CAN等多种接口，具备完善的远控功能，通过通信可以实现调度室对系统进行数据监控，参数设置、远程控制
4.10供配电设备数据采集装置
供配电设备数据集装置由KXH18（G）矿用本安型可编程控制器、KXH18（E）矿用本安型控制器、DXJ660/18矿用隔爆兼本安型电源箱等组成，可实现工作面移变、组合开关、磁力启动器、馈电和照明综保等设备的监控，其主要功能有：
（1）以太网/RS485/CAN总线通信控制与复位
（2）设备数据上传
（3）设备的无线遥控
（4）设备的远程参数设置与整定（需要开关支持）
（5）实现一键启停、连锁和互锁
4.11图像视频系统
图像视频系统由KXJ127(A)矿用隔爆兼本安型控制器、XH12矿用本安型显示器、KJJ12矿用本安型无线接入器、KBA129(A)矿用隔爆兼本安型摄像仪、KBA12矿用本安型网络摄像仪、矿用本安型除尘摄像仪KBA12(B)、矿用本安型云台摄像仪KBA12(C)等组成。其主要功能有：
（1）可配置人员闯入报警系统，实现无线电子围栏，当人员靠近或越过电子围栏时实现声光报警，并联动设备延缓停机或立即停机
（2）具备煤流异常物体监测、报警、图像抓捕及故障智能定位语音报警功能
（3）监控设备运行状态
（4）监控工作面运行状态
（5）实现图像拼接
（6）全景图像显示，显示大分辨率的全景拼接图像
（7）视频接入，用于接入摄像机视频流，并进行解码处理。
（8）对所有摄像机设备发现、添加以及区域划分。
（9）摄像仪故障报警，实时检测各高清摄像仪的在线状态及图像状态，对视频信号丢失、摄像仪不在线等故障能及时报警
4.12人员定位系统
人员定位系统由KJ128D-F3定位读卡分站、KJ128D-K6标识卡、KDW660/24BJ矿用多路隔爆兼本安直流稳压电源、计算机等组成。其主要功能有：
（1）UWB定位技术，定位精度可达30cm
（2）充电后使用不小于30天
（3）空旷可视最大半径400米、信息矿灯主灯使用11小时后关闭的情况下标识卡工作时间大于等于199小时
（4）以太网传输接口
（5）呼叫通讯功能：能接收系统下发呼叫命令
（6）具有紧急呼救按钮
（7）具备禁区管理，区域门禁，区域限员功能