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自動化綜采工作面已漸入實用化階段、應防止概念過分炒作
作者:科達自控董事長付國軍 日期:2014年06月24日 來源:本站原創 瀏覽:

內容導讀:    《工礦自動化》發布科達自控董事長付國軍論文《自動化綜采工作面已漸入實用化階段、應防止概念過分炒作》,原文如下: 自動化綜采工作面已漸入實用化階段、應防止概念過分炒作     摘要:介紹了國內自動化綜采工作

    《工礦自動化》發表科達自控董事長付國軍論文《自動化綜采工作面已漸入實用化階段、應防止概念過分炒作》,原文如下:

自動化綜采工作面已漸入實用化階段、應防止概念過分炒作

    摘要:介紹了國內自動化綜采工作面的技術現狀,并將綜采工作面的設備分為生產設備、輔助設備、測控系統;針對目前業內工作面名稱混亂的情況,認為“自動化綜采工作面”的命名比較恰當;提出了自動化綜采工作面技術可劃分為綜采工作面局部自動化、綜采工作面半自動化、綜采工作面全自動化、綜采工作面智能自動化4個等級并給出了具體特征;介紹了自動化綜采工作面的發展,指出把自動化綜采工作面看成是一個可以自動行走、自動割煤、自動支護、自動裝煤、自動運煤的一臺大型機器,更符合實用要求。
關鍵詞:自動化綜采工作面;無人工作面;綜采設備;智能化

FU Guojun
(Shanxi Keda Automatic Control Co., Ltd., Taiyuan 030006, China)
    Abstract: Technology status of automatic fully- mechanized coal mining facein China was introduced, and fully-mechanized coal mining equipments were classified into production equipment, auxiliary equipment and measure and control system. In view of current condition of confused name of coal mining face in the industry, name of “automatic fully-mechanized coal mining face” was considered more appropriate. Technology of the automatic fully-mechanized coal mining face could be divided into four grades, namely local automatic fully-mechanized coal mining face, semi-automatic fully-mechanized coal mining face, complete automatic fully-mechanized coal mining face and intelligent automatic fully-mechanized coal mining face, whose specific characteristics were given. Development approach of the automatic fully-mechanized coal mining face was introduced, and a view was pointed out that the automatic fully-mechanized coal mining face considered as a large machine which can automatically work, automatic cutting coal,  supporting, coaling, transporting coal meet practical requirements.
Key words: automati fully -mechanized coal mining face; manless workingunmanned coal mining face; fully-mechanized coal mining equipment; intelligent
0  引言
    目前,中國煤炭裝備水平已接近或達到了世界先進水平。以采掘裝備為例,經過“十五”計劃和“十一五”計劃的長足發展,國產設備市場占有率已遠遠高于進口品牌。國產采掘裝備不論從裝機容量到一次開采高度、再到機器的外觀設計已與國外產品相差無幾,甚至有的做到了世界最大。然而,設備的內在性能和整機的自動化水平卻與國外產品仍有差距。采掘工作面自動化是煤炭生產環節的重中之重,因其難度極大,發達國家也沒有很成熟的技術和應用案例。由于綜采是我中國煤礦最主要的采煤工藝,近幾年國內有很多科研院所和自動化公司開展了有關綜采工作面的無人化和少人化(自動化綜采工作面)研究。自動化綜采工作面研究的關鍵是從采煤工藝的角度來主導綜采工作面設備的自動運行及配合,即從綜采系統的整體角度來思考自動化采煤問題。

1  自動化綜采工作面的現狀
    綜采工作面是煤礦生產最前沿的工作環節,也是最復雜的工作環節。其設備數量多,設備之間相互制約、相互協調,任何單一設備都無法脫離其他設備而單獨完成任務。同時這些設備的任何一個動作還受地質條件的限制。一個標準的綜采工作面一般要由200~300臺設備構成,核心設備有采煤機、刮板輸送機、液壓支架、轉載機、破碎機和帶式輸送機,其中僅液壓支架就多達100~200架,實現自動化的難度很大。隨著自動化技術的發展及采煤工藝研究的不斷深入,在地質條件允許的情況下實現自動化采煤逐漸具備了可行性。2009年3月,神東煤炭集團榆家梁煤礦全國首個自動化綜采工作面井下試車[1]。2010年,晉城煤業集團古書院煤礦首個自動化綜采工作面開始下井調試,并先后完成了4個工作面的運行,總結了豐富的經驗,,其改進后的第2個自動化綜采工作面系統也已開始下井試運行。陽泉蔭營煤礦的薄煤層自動化綜采工作面也完成了極薄煤層段的采煤工作。此外,大采高自動化綜采工作面也于2013年6月通過地面驗收,同年8月已在西山煤電斜溝煤礦下井安裝完畢進入調試階段。通過一系列的研究和試驗,自動化綜采工作面技術有了很大提高,控制理念也基本清晰,整體水平已達到實用化階段,可在一定程度上減少現場操作人員。
綜合近幾年的一些實驗項目和上述技術突破,自動化綜采工作面技術已漸入實用化階段。隨著實驗項目的不斷投入運行,技術會日趨完善、產品可靠性會不斷提高;標準化產品很快就會出現,實用化的少人或無人自動化綜采工作面將投入運行。
2  綜采工作面設備組成
    綜采工作面設備從整體自動化的角度可分為生產設備、輔助設備、測控系統 ,其平面布置如圖1所示。

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2.1  生產設備
    綜采工作面的生產設備包括主要采煤設備、和轉載運輸設備。主要采煤設備是整個綜采工作面的核心設備,可將其稱為主采機組。筆者將工作面的“三機”——采煤機、輸送機、液壓支架看作一個大型設備。由于這3種設備在結構上相互連接,動作上相互制衡,位置上相互重疊,故從自動控制的角度來看是不可分割的一個整體,應由測控系統統一控制。轉載運輸設備是綜采工作面的接續設備,包括轉載機、破碎機、帶式輸送機等,主要完成煤炭的連續運輸工作。
2.2  輔助設備
    輔助設備一般是指設備列車上的所有動力保障設備,包括動力中心、泵站、清水站、自動配液系統等。動力中心為整個綜采工作面所有設備提供電力,測控系統可通過網絡對其任何一個動作進行控制,并可讀取每一條路線的所有電氣參數及開關狀態。泵站是液壓支架的動力源,可通過測控系統進行集中控制,完成自動配液、軟化處理、壓力檢測、水位控制、泵組開停及各種保護功能。
2.3  測控系統
    測控系統是自動化綜采工作面的中樞神經,是綜采工作面由機械化向自動化過渡的關鍵設備,包括工作面整體操作控制中心、主采機組控制站、轉載運輸控制站、視頻監測中心、通信調度中心等。其中有幾項技術瓶頸需要攻克,如主采機組控制站中包含的采煤機高速通信系統、煤巖識別系統、姿態檢測系統、關鍵部件故障檢測系統;支架電液控制系統、支架姿態檢測系統和刮板輸送機自動張緊系統、自移機尾系統、地形檢測及工作面調直系統[32]。;隨機移動的工作面可視化系統、高速有線及無線通信系統、高可靠的實時控制系統和高性能的防爆計算機等。目前,支架電液控制系統的國產化已達到實用化水平,采煤機記憶切割、高速通信系統已有重大突破,如科達自控公司的HAIBUS通信系統在多個采煤機廠的產品中已投入使用,工作面可視化系統、高速有線及無線通信系統和基于主采機組概念的實時控制系統已在多個工作面得到驗證。其專項技術也有大量的機構進行了研究。
筆者從自動化綜采工作面的設計和實施過程中發現,要想實現綜采工作面的自動化運行,必須對綜采工作面的設備重新認識和定位[23],必須打破原有的在人工操作基礎上以單機為控制目標的傳統思路、打破設備生產廠家的界限、打破設備功能的界限;修正單機智能化的傳統研究思路,從工作面整體采煤的思路來看待每一臺設備,將它們作為一個大機器的一個部件,在控制中心的統一控制下協調工作。
3  自動化綜采工作面概念的誤區
    近幾年,筆者經常在網絡、報紙或其他媒體上看到“自動化綜采工作面”、“智能化綜采工作面”、“無人綜采工作面”、“數字化綜采工作面”等投入運行的消息,使得業內人士眼花繚亂。在由于國家對此還沒有統一定義,筆者認為首先應從概念上進行規范,使用戶真正認清自己要的是什么、做的是什么,以便為后續綜采工作面自動化、信息化的推進和應用起到參考標示性作用。
目前,機械化綜采設備在山西、內蒙等煤炭大省已基本普及,但在云南、貴州、四川等地質條件較差的省份還有相當數量的煤礦沒有使用綜采設備,更不用說采煤自動化了。但不論什么條件,都有關于“無人工作面”或“自動化工作面”的相關報道,總結起來以下幾種情況:
(1) 把機械化當自動化。對于一直以人工炮采為主要工藝的煤礦,突然試驗成功“綜采設備采煤”,人員由原來的幾百人一下降到幾十人,不再用人工落煤,就以為是自動化采煤了。
(2) 把支架電液控制系統當成工作面自動化。在各種報道中經常出現煤礦企業把支架電液控制系統當成工作面自動化,F在比較成熟的電液控制系統都具有跟機拉架、自動降、移、升等簡單控制功能?陀^上這些均為支架本身的自動控制,可使支架工由操作液壓閥改為操作電液控制按鍵;單架或成組的連貫動作可以自動完成;在頂底板條件特別好的情況下也可以進行跟機拉架動作[4]。但這樣的系統只是改變了人們的操作方式,并不能大量減少人員。有些報道把它夸大為工作面自動化,一方面可能是對工作面自動化理解不深,另一方面也存在夸大宣傳的問題。這種觀點是把個別設備的自動化理解為整個工作面的自動化,這樣宣傳會產生誤導,客觀上不是推動自動化工作面技術,而是起到阻礙作用。
(3) 玩文字游戲,“智能化工作面”、“數字化工作面”、“無人工作面”、“自動化工作面”、“工作面一鍵啟動”、“鼠標采煤”等,讓人眼花繚亂,無所適從。這些概念有的是從不同角度出發,取不同的名字 ,;有的是為了突出科研申報項目與別人項目的差異化,以名詞創新替代技術創新。但就目前的技術水平來說,這些名稱都沒有實質區別,而且大部分都是名不符實。
4  自動化綜采工作面的概念和定義
    就上述幾種情況而言,前2種屬于認識的局限性,把機械化和單機設備自動化當成了“自動化工作面”,應徹底否定,以免誤導行業發展。對于第3種情況,也應有一個具體的界定。筆者認為對于自動化工作面,“無人工作面”是目標; “數字化工作面”是“自動化工作面”某一方面的特征;“智能化工作面”是“自動化工作面” “數字化工作面”從單一技術層面而言,只是技術手段而已,它強調的是對工作面設備的數字化描述的特征,不能完全體現“自動化工作面”的控制特征。而“智能化工作面”應該是自動化水平達到能模仿人的思維方式的高級階段,應該具有處理非常規問題的能力。如果整個工作面的自動化控制系統達到了智能化這一水平,“無人工作面”的目標就可真正實現了。但目前的現實情況是,自動化工作面才剛剛起步,自動化水平還沒有達到智能化的程度,至多只能說是使用了一些智能化的技術,只達到了少人的程度。根據以上分析,又由于目前煤礦自動化工作面技術應用僅限于采煤工作面,所以目前的煤礦自動化工作面應以“自動化綜采工作面”來命名比較恰當,并根據其自動化程度的不同再給出如下分級的定義。
4.1  綜采工作面局部自動化
    局部自動化是指在綜采工作面中,某一種或幾種設備自身在不受外界條件影響下可實現自動化動作,而不需要人工操作。如支架電液控制系統的跟機拉架、自動降、移、升等;采煤機的牽引速度自動調節、滾筒的記憶切割、刮板輸送機的自動張緊等。局部自動化只能提高單品種設備的自動化程度,在一定程度上減輕礦工的勞動強度,不能明顯減少作業人員,但它是自動化工作面的基礎。局部自動化的這些自動控制項目都是機械設備根據自身動作規律進行小范圍自動調節和控制,其動作條件是假設周邊條件不變的情況下進行的,在地面演示或在煤層非常穩定的條件下也可以實現整個工作面自動化,但從控制原理上看,它是屬于“開環控制”。但在實際應用中由于工作面生產條件經常受地質條件變化、設備之間時空關系的變化等影響,“開環控制”很難正常工作。
4.2  綜采工作面半自動化
    要實現整個工作面的自動化運行,僅有局部自動化功能是不夠的。因為綜采工作面是很多機械聯動,地質條件也是隨時變化的。綜采工作面半自動化是指在局部設備具備部分單機自動化功能的前提下,在工作面端頭進行由人工干預的控制,。根據具體情況,又分2種情況:① 在條件理想化的情況下,工作面的中間段由端頭控制中心控制單機(局部機械)實現自動化運行。② 在條件發生變化的情況下或復雜工藝段,可在端頭控制中心根據視頻信號,進行人員遠程操作,如情況復雜,人員可進入工作面進行直接干預。
4.3  綜采工作面全自動化
    綜采工作面全自動化應該具備較高水平的自動化控制功能,基本實現采煤的無人化。從工藝設計開始(如斜切進刀、割三角煤、掃底煤、自動調高等),到各設備之間的協調控制(如自動配液、順序啟動、集中送電、滾筒自動調高、自動拉架推溜、自移機尾、鏈條設備自動張緊、工作面一鍵啟停、設備干涉自動檢測等); 采用無線通信、視頻跟機監控、圖像自動拼接等技術;所有操作都在工作面控制中心協調完成。綜采工作面全自動化控制系統結構如圖2所示。
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4.4  綜采工作面智能自動化
    智能自動化也可簡稱為智能化,它是自動化程度一個更高層面,而不是脫離“自動化工作面”的另一個層面。智能化在具體采煤過程中與全自動化沒有太大區別,只是在特殊情況下它應該具有部分人工智能,可提供出特別的控制策略?捎梢韵铝鞒虂砑右詤^別:由“檢測—比較—計算——執行”發展到“檢測—識別—推理(運算)—決策—執行”。如遇到煤層突然變化,如何自動識別煤巖并自適應調節設備動作;根據運輸系統的負荷能力調節采煤機的割煤速度;根據瓦斯和通風條件變化調節采煤速度;設備主要部件故障診斷和壽命周期管理等?梢哉f,智能化采煤對采煤工作面的研究有極其重要意義,是長遠目標,而且智能自動化本身也是從低級到高級分階段的,這個發展過程也是隨著技術進步而不斷推進的。
5  自動化綜采工作面的發展
    現在業界對自動化綜采工作面有不同的認識,研究的技術路線也各不相同,主要分2大派:① 以電液控制為主的單機智能派,強調各獨立機器設備的自動化水平;②以主采機組概念為代表的系統派,強化工作面的系統概念。筆者認為不論是哪一派都是在各自熟悉的方面提升綜采工作面的自動化水平,都會對綜采工作面無人或少人化有積極的推動作用。盡管目前從生產和使用的角度看,工作面的3種核心設備由不同廠家生產和提供,而且各自有獨立的動力系統和控制系統,但三者在采煤過程中是不可分割的。在目前以人工操作為主要工作方式的情況下(機械化采煤),每臺設備的動作可單獨操作,各自生產廠家都對其進行自動化技術的改造升級,如智能采煤機系統、電液控制系統、刮板輸送機在線監測系統等。但某一種設備自動化水平的提高不會對工作面整體工作產生太大影響。過度地強化單機的自動化控制功能,而弱化系統概念,只會使單機越做越復雜,成本越來越高。
要實現綜采工作面的全自動化,應從以下3個方面調整對采煤工作的認識。
(1) 建立系統概念,把綜采工作面所有設備看作一個整體可移動的機組,整個回采過程就是機組整體移動的作業過程。其中各種設備如采煤機、液壓支架、刮板輸送機等,只是其中的一個部件,所有部件由測控系統聯絡、控制,使其形成一個整體。綜采工作面系統化控制示意如圖3所示。


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(2) 弱化局部設備(部件)的控制功能,強化其通信、檢測、保護和執行功能,所有控制命令由控制中心發出。設備的每一個動作都是在收集大量信息(各部件提供的設備狀態、姿態、位置、速度及地質數據)進行大量運算后的結果,每一個動作都是在考慮當下各部件的時空關系和地質條件下進行的,這樣才能保證各設備之間不干涉,同時又能高速運作。
(3) 自動化動作與人工操作截然不同,在設計軟件時盡可能優化工藝,使其更適合自動化運行規律。所以,真正的自動化工作面不再是以機械設備為主導,由設備司機操控的設備群,而是以自動化控制系統為主導,由采煤工藝工程師來操作的一個采煤系統[5]。
    從這個角度理解,自動化綜采工作面應該是一個可以自動行走、自動割煤、自動支護、自動裝煤、自動運煤的一臺大型機器,而操作人員不在不是分別操作各個子機器上,而是在巷道的操作列車上操作這臺大機器。
6  結語
    煤礦綜采工作面的自動化工作,以達到無人或少人采煤為目的,是采煤技術發展的終極目標;經過多年的研發和實驗,自動化綜采工作面技術已漸入實用化階段。在新技術推廣階段,由于市場及用戶對此了解甚少,難免會出現標準不一、概念混亂的現象。有必要從技術和實施效果方面做一些界定,為以后行業或國家制定標準做一些前期鋪墊!白詣踊C采工作面”作為項目標準名稱,在此基礎上分為綜采工作面局部自動化、綜采工作面半自動化、綜采工作面全自動化、綜采工作面智能自動化4個不同的技術級別是比較客觀和科學的。在上述技術分級的基礎上,技術研發應該以全自動化或智能化為目標進行總體布局、分階段推進。首先應從優化工藝開始、建立系統控制概念,避免設備廠家單打獨斗的現象,真正實現綜采工作面的自動化運行,實現無人和少人化作業,從而把采煤工人從惡劣環境中解放出來。

參考文獻:
[1] 云孝義.神華集團薄煤層綜采自動化工作面總結報告[EB/OL].[2013-11-20]. http://www.docin.com/p-472124441.html
[2] 武培林,牛乃平,高波.電牽引采煤機遠程控調技術研究[J].科技創新與生產力, 2012(9):77-79.
[3] 付國軍,楊明亮,許太山.綜采無人工作面的整體設計與實現方法的構想[J].工礦自動化,2013,39(1):39-42.
[4] 伍小杰,程堯,崔建民,等.液壓支架電液控制系統設計[J].煤炭科學技術,2011,39(4):106-109.
[5] 帥銀周.自動化綜采工作面的實現與應用[J].科技信息,2010(16):335-336

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