综采工作面集中控制系统的开发

摘要

本课题来源于山西省科技厅重大专项“全自动国产无人综采工作面技术装备研发”(项目编号:20111101024)，是针对煤矿井下综采设备普遍采用现场手动控制的作业方式所带来的生产效率低下、人力成本高、安全隐患、自动化程度低等问题而提出的。
　　目前，我国的综采工作面已经普及了机械化采煤，大部分的综采设备均有相应的实时监测系统，可以通过电控方法进行操作。但就整个综采工作面而言，综采作业过程依然离不开人工手动操作控制，整体的自动化水平较低。人工手动操作综采设备进行作业的生产方式，不仅操作人员劳动强度大，而且会因误操作引起安全事故。通过构建综采工作面集中控制平台，在该平台完成对综采工作面的采煤机、液压支架、刮板输送机、转载机、破碎机、泵站、顺槽皮带输送机和视频系统等设备的实时监测和控制，这在一定程度上可以减少综采工作面的劳动人员数量，降低因误操作引起的事故发生率。因此，开发综采工作面集中控制系统对煤矿自动化建设具有非常重要的现实意义。
　　在对古书院矿综采工作面综采设备的机载控制系统进行全面调研的基础上，详细分析了综采工作面的采煤工艺，查阅了国内外综采工作面自动化相关资料和文献，根据任务书的要求，确定了综采工作面集中控制系统的整体设计方案。该系统以工控机为主控设备，与机载控制器共同构成二级控制网络结构。本系统通过机载控制器获取综采设备的现场数据，以实现对综采设备的远程监测。
　　在充分考虑综采设备机载控制器的通讯方式基础上，本文采用了TCP/IP的通讯方式，将综采工作面集中控制系统与采煤机控制系统、液压支架电液控制系统和运输三机监测系统有效地连接起来，可以对采煤机的位置信息、各电机的状态信息，液压支架的前后立柱压力、推镏位移等状态信息，运输三机的电机电流和温度、减速器油位和油温、冷却水流量和压力等状态信息进行实时显示。
　　综采工作面集中控制系统在实现远程监测的基础上，以采煤机为中心，提出了采煤机和液压支架、采煤机和运输设备以及采煤机和视频系统之间的协同控制方法。根据采煤工艺，找到了综采设备之间的内在动作关系，在工控机上编写了协同控制程序。
　　针对采煤机记忆截割运行轨迹固定，随着煤层结构的变化，存在采煤机截割的煤中含煤量不稳定的问题，本文采用了遗传算法对采煤机截割路径进行优化，保证采煤机在采煤过程中截割的煤的含煤量最高。本文通过小波包分析法，对采煤机的截割部的振动信号进行分解，提取出采煤机割煤、割岩和混割的特征量，结合截割电机的电流值，最终得到采煤机的当前截割状态，并得知采煤机滚筒的调节方向；然后根据采煤机割煤的约束条件，使用遗传算法，得到采煤机滚筒的调节量。
　　在实验室搭建了综采工作面集中控制系统的测试平台，实验室的运行结果表明：综采工作面集中控制系统可以很好的实现和运输设备监测系统与液压支架电液控制系统等子系统的通讯连接，在对综采设备进行远程实时在线监测、手动控制和自动控制时，系统数据传输延时在1s以内，通信速率达到了2Mbps，各子系统在数据传输过程中未出现拥堵等现象，集控系统未出现卡顿、司机等现象。

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第一章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的研究目标和主要研究内容

第二章 综采工作面集中控制系统整体方案设计

2.1 系统设计原则和要求

2.2 综采工作面集中控制系统总体结构

2.3 综采工作面集中控制系统通讯网络设计

2.4 综采工作面集中控制系统功能介绍

2.5 本章小结

第三章 综采设备协同控制策略

3.1 综采设备一键启停控制及闭锁保护

3.2 采煤机工艺段内姿态自动调整

3.3 液压支架和采煤机的协同控制

3.4 视频跟机切换

3.5 运输设备载荷量控制

3.6 本章小结

第四章 基于遗传算法的采煤机截割路径优化方法的研究

4.1 遗传算法

4.2 采煤机截割路径优化原理

4.3 采煤机截割状态特征量提取

4.4 基于遗传算法的采煤机截割路径优化方法

4.5 本章小结

第五章 综采工作面集中控制系统软件开发

5.1 集控平台开发软件

5.2 人机界面设计

5.3 WinCC通信

5.4 过程值归档

5.5 系统通用化配置

5.6 本章小结

第六章 系统试验

6.1 系统测试

6.2 测试结果

6.3 本章小结

第七章 研究结论与展望

7.1 研究结论

7.2 工作展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士学位期间的研究成果