上湾煤矿8.8m超大采高智能化综采控制系统研究与应用

超大采高智能化综采控制系统由网络型支架电液控制系统、工作面智能综采控制系统和工作面及两巷矿压监测与评价系统组成，解决了超大采高开采工艺、顶板、护帮板围岩控制、支架姿态与支护状态、设备协调联动控制等问题。

网络型支架电液控制系统的核心控制器，采用自主研发的基于百兆以太网液压支架控制器，实现自动跟机、姿态监测、支护控制、快速移架4项关键核心功能，并提供了保障人员安全的定位功能。

（1）基于百兆以太网液压支架控制器

该控制器采用100 M实时工业以太网通信，辅以工业现场总线(高速CAN)，将原有的支架控制器和工作面综合接入器、红外线定位集成，很大程度上简化了支架电液控制系统硬件架构，减少了工作面布线，同时解决了总线带宽的问题。该控制器可直接连接视频摄像仪、WiFi基站等设备，在工作面建立了一条通信高速链路，实现一网到底（图2）。

图2 网络型支架电液控制系统

同时，该控制器采用基于SoftPLC的通用控制单元组态化开发平台，硬件虽然是嵌入式硬件，但系统的软件架构更接近于主流PLC软件架平台，使得控制器嵌入式应用软件的开发效率大幅提高，开发难度大幅降低，向行业通用本安PLC方向发展。

（2）网络型支架电液控制系统的关键核心功能

大采高全工作面液压支架自动跟机及远程干预控制功能。根据上湾煤矿超大采高工作面地质条件，设计超大采高工作面智能化跟机自动化工艺。护帮板采用依次跟机收放控制，同时缩短跟机移架距离，提高移架效率，减少空顶，可有效防止片帮、冒顶、煤块飞溅等安全事故，提高工作面整体运行的安全性（图3）。全工作面跟机自动化率平均达到80%以上，中部跟机达到90%以上，平均干预率低于28%。

图3 护帮板采用依次跟机收放控制示意

（3）大采高支架姿态实时监测功能

采用帕斯卡原理研发支架高度传感器，将软管两端都配置高精度压力传感器，用高度产生的压差除以重力加速度及介质密度，可直接计算出支架高度。同时，在测高传感器中集成倾角传感器，并配置掩护梁及底座倾角传感器，实现对支架顶梁、护帮板、底座的横滚角度进行实时监测，测量误差＜±0.3°，高度误差±3cm，监测延时＜50 ms。通过对液压支架姿态与受力状态的监测分析，实现对支架可能出现的“低头”“高射炮”状态进行感知，避免支架支护失效的情况出现。

（4）多级护帮联动控制及防片帮功能

控制器接入护帮行程、接近传感器，实现三级护帮的联动控制，防止护帮伸收时，切顶梁及打到刮板输送机电缆槽。同时，配置护帮压力及立柱初撑力保证系统，为围岩监测与分析评价提供数据基础，保障支架良好围岩支护状态。建立了液压支架与顶煤围岩耦合控制模型，实现电控系统与围岩监测系统联动，当周期来压时，电液控制系统可主动提升支架初撑力与护帮支护压力。

（5）大采高支架与大流量泵站联动控制功能

通过研究大采高工作面液压支架降柱、移柱、升柱时间对液压和泵站系统压力、流量的影响，以及采煤速度与液压支架移架时间的关系，提出了工作面液压系统速度分析理论，突破了超大采高工作面快速移架的瓶颈。采用大采高支架与大流量泵站联动控制技术，以决策树方法为基础，建立大数据自主决策模型，设计多泵变频联动专用算法，实现按需供液最优控制效果（图4）。

图4 数据自主决策模型

（6）人员近感定位功能

将Longwall Mind5.0集控系统软件平台与TOS控制器结合，并适配大采高工作面通信网络，设计了工作面智能综采控制系统，工作面智能综采控制系统架构如图5所示。基于该系统开发和部署了工作面大数据中心、手持终端APP和三维虚拟现实系统。

图5 工作面智能综采控制系统架构

（1）Longwall Mind5.0集控系统软件平台

自主研发了控制系统平台软件Longwall Mind5.0，研究远程控制技术，分别部署在三岗合一、巷道监控中心和地面分控中心，实现综采设备集中控制；控制系统平台软件由采煤机、支架、“三机”、泵站、供电、视频6大控制子系统构成，实现综采工作面采煤机、刮板输送机、喷雾系统设备之间的关联闭锁、互联互锁和一键启停控制等功能，集控系统软件平台如图6所示。

（a）采煤机控制界面     （b）泵站控制界面

（c）运输机控制界面     （d）视频监控界面

图6 集控系统软件平台

（2）TOS控制器

随着工作面设备及接口的多样化，集控系统平台运行负载逐渐变大，给开发、维护和部署带来了诸多不便。因此，设计并研发了TOS控制器（图7），采用MVVM架构方式，以低耦合、高内聚的接口设计，分离原系统业务逻辑层与视图模型，优化原拓扑结构，建立以IPC为核心，与Longwall Mind5.0相结合的TOS解决方案。控制器具有丰富内置接口便于扩展与维护，同时分离上位机软件的运行压力，达到稳定高效的对工作面设备的集成控制。

（a）TOS设备     （b）支架控制界面

图7 TOS控制器

（3）大采高工作面通信网络

建立有线与无线冗余的工作面工业以太网通信系统，研制开发了工作面WiFi基站，具备无线网格网络（Mesh）组网功能，20架或50m配置1个，实现工作面无线网络全覆盖，同一无线局域网（SSID），移动设备全工作面无缝漫游；使综采工作面移动设备、固定设备与巷道集控中心高效互联，将视频监控、能效监控、工业控制多网合一，实现工作面设备信息汇集，综采工作面装备远程控制通信（图8）。

图8 工作面工业以太网通信系统

（4）工作面大数据中心

图9 数据中心及手持终端

通过在工作面两巷道安装围岩移动传感器、锚杆（索）测力计、钻孔应力计等巷道压力传感器，构建了大采高工作面超前段巷道围岩稳定性动态监测架构。对12403工作面回风巷和辅运巷道围岩动态进行了监测，顶板离层量0～10mm，顶板锚杆增阻量分布在0.9～23kN，表明巷道围岩稳定性良好。将支架初撑力不合格比例、工作阻力高报比例、安全阀开启比例、支架不保压比例、不平衡比例等指标，作为巷道围岩稳定性综合评价指标，建立巷道围岩稳定性分析和评价模型。

网络型支架电液控制系统实时采集监测数据，并发送至在工作面智能综采控制系统中进行存储。通过分析立柱压力监测数据，围绕巷道围岩稳定性综合评价指标，构建综采工作面支架工况实时评价及预警指标体系，设计了初撑力分析算法、支架不保压分析算法、安全阀开启分析算法、支架工作阻力高报分析算法、支架工作阻力分布分析算法5类算法，对液压支架工控进行实时评价与预警（图10）。

图10 工作面及两巷矿压监测与评价系统

在工作面智能综采控制系统中，开发并集成了综采工作面周期来压自动分析和预测预警算法，实现工作面周期来压的自动分析和及时预警，分析出超大采高工作面周期来压规律，得出12403工作面周期来压步距分布在5.8～28.8m，平均为14.6m，动载系数平均为1.41，矿压显现较强烈的结论。通过分析护帮板压力传感器监测数据，评价护帮板对煤壁支护的有效性并进行报警。分析了护帮压力与工作面顶板来压规律和煤壁片帮的关系，建立大采高智能综采工作面煤壁片帮预警指标和模型，为工作面防片帮处置提供依据。