工业以太网智能开采控制系统

研究背景存在问题随着综采工作面自动化、智能化采煤的深入研究和推广,基于单线低速CAN总线的支架控制系统在数据传输、实时性方面已经显现出一定的局限性。控制系统的架间通信宽带低,通常仅有几十至几百kbit/s,控制延时通常大于200ms,且存在通信接口种类多,协议不统一,软件平台适应性差,单工作面需要开发定制化应用软件的问题。

液压支架电液控制及工作面自动化技术综述

介绍了支架液压技术、液压支架电液控制系统及工作面自动化技术发展历程,分析了各阶段技术发展特点,展望了未来技术发展趋势。

综采工作面智能感知与智能控制关键技术与应用

"十三五"期间,我国煤矿开采开始进入了智能化模式,但处于智能开采的初级阶段。首先,对国内外智能开采技术进展进行了分析,重点介绍了澳大利亚的智能煤矿建设和北京天地玛珂电液控制系统有限公司的无人化综采工作面技术进展。其次,按照智能感知和智能控制2个环节总结了国内智能开采行业的顶层设计。对于智能感知关键技术,建立了智能感知技术体系,攻克了综采装备全方位感知技术和工作面自动找直技术,解决了惯性导航长时间坐标漂移的累积误差增大问题;以物联网推动了围岩透明感知技术,基于多信息融合的煤岩界面识别和超宽带雷达精细测量,具备了一定的超前探测能力和适应煤层地质条件变化能力,高精度三维动态地质模型的动态修正技术;将机器人技术引入到综采工作面感知体系中,通过巡检机器人实现综采工作面生产的快速无缝实时感知;通过对传统VR的建模技术升级,建立了工作面三维实景模型。对于智能控制关键技术,建立了智能控制技术体系,研究了远程监督型控制技术和自主控制技术,利用巡检机器人超前对煤岩界面自动检测和滚筒截割状态的实时识别,实现了智能调高控制、俯仰采控制和推进方向的平滑阶梯多级调整控制,开发了巡检机器人模式下的智能割煤工艺;通过对5G通信系统的协议改进,实现了工作面移动传输上行带宽超过300 Mbps和传输延时小于20 ms的视频传输性能。保证了综采远程控制的实时性和可靠性。通过智能感知与智能控制的关键技术应用,进行了远程干预型智能控制综采生产、视觉测量煤岩分界、直线度自动测量调直、超宽带雷达探测、真实场景综采工作面三维建模和巡检机器人自主采煤等应用实践。最后提出了尚待解决的理论和关键技术问题:深度超前精确探测理论体系、综采全工艺流程无人化控制理论体系、全矿井无缝覆盖通信定位体系、复杂环境下的目标识别、上窜下滑控制和超前自动移架技术等。

煤炭工业互联网及其关键技术

煤炭工业互联网(Coal Industry Internet,CII)拥有快速、安全、绿色等优点,是煤炭行业向智能化转型的重要支撑。我国煤炭工业互联网尚处在初级阶段,存在技术体系不明晰、信息交互时延高、信息安全保障难等问题。针对以上问题,首先分析了煤炭工业互联网对煤炭行业及保障国民经济发展的重要意义;总结了煤炭工业互联网的国内外研究现状,归纳出国内外研究人员在煤炭工业互联网领域进行的探索及取得的研究成果。根据我国智慧矿山建设实际需求,构建了煤炭工业互联网体系架构,分为设备感知层、IaaS层、PaaS层、SaaS层和云边端协同5个层次,推动形成涵盖煤炭生产、物流、消费等领域的工业生产制造和服务体系;进一步明确煤炭工业互联网信息安全、技术体系、信息传输、生态环境等重点发展领域,指出了我国煤炭工业互联网在上述领域中存在的问题,并总结分析了解决上述问题的发展方向。最后,提出了煤炭工业互联网安全防护、数字矿山基础信息平台、煤炭工业互联网数据中台、矿山中央控制系统、5G+煤炭工业互联网等关键技术及其发展思路,以推动矿山智能化建设,促进煤炭行业高质量发展。

基于工业互联网的智能矿山研究与设计

阐述了基于工业互联网平台建设智能矿山的意义与目标;指出,打造煤炭工业互联网平台,就是要通过工业互联网技术使煤炭产业各环节间进行有机联动,实现产业链的真正融合,打造矿山新型数字生态,助推煤炭行业高质量发展。研究了基于工业互联网的智能矿山技术体系和业务架构;认为,基于工业互联网的智能矿山建设应首先进行算力及容灾体系建设,其次是要进行网络体系搭建,第三要搭建横纵贯通的数据中台业务。将目前我国煤炭企业智能矿山建设的发展阶段归纳为4个阶段:框架初步构建、实现采掘等单系统或单项技术智能化决策和运行阶段;多系统信息融合、实现采掘运智能联动阶段;形成智能生产、安全、管控智慧大脑阶段;形成全矿区、多产业链、多系统集成的智能矿山体系阶段。最后提出,智能矿山建设是一个科技创新和不断进步的过程,应注重顶层设计,做到传承与创新并重,基础平台、局部场景智能化建设要并行等具体建议。

基于嵌入式软PLC的掘进机控制系统设计

针对现有以普通PLC和专用控制器为核心的煤矿掘进机控制系统存在开发成本高、维护量大、跨平台移植难等问题,设计了一种基于嵌入式软PLC技术的掘进机控制系统,分析了系统的功能需求和实现原理,提出了以嵌入式软PLC为核心的控制系统架构。该系统通过实时操作系统的定制、软PLC运行时系统的移植及驱动组件的开发,实现了掘进机基本逻辑控制、全功能遥控和自动截割功能,可对掘进机状态进行实时监测,通过遥控器实现全功能远程遥控,通过设定断面形状、路径类型、巷道高度、巷道宽度和截割间距等参数实现巷道断面的自动截割成形等。相比于以PLC和专用控制器为核心的控制系统,采用嵌入式软PLC的掘进机控制系统可更好实现掘进机装备的标准统一和系统的组态开发,跨平台移植性好。测试结果证明该系统基本控制功能和遥控操作性能良好,自动截割断面边界最大误差小于10 cm。

地音监测技术及其在矿压监测中的应用研究

在总结我们的研究成果基础上，较全面地介绍了我国地音监测技术的研究现状及其在冲击地压预测预报、顶板动态监测方面的应用实践。研究与实践的结果表明，经过１０多年的研究和应用，我国地音监测技术获得了很大发展，地音监测技术在矿压中的应用已达到了实用阶段。

煤矿采掘装备核心控制技术现状和发展趋势

为解决煤矿采掘装备控制系统存在平台和标准不统一的问题,探讨装备核心控制急需突破的关键技术,通过分析采掘装备核心控制架构、嵌入式软件系统及嵌入式软PLC的应用、井下通信协议标准、集控系统组态软件4个方面的国内外技术现状,提出了平台化、标准化的采掘装备核心控制技术方案:基于标准化的核心单元硬件,统一的应用软件和集控系统软件组态开发平台,通信协议标准,形成软件开发、测试、发布平台。分析得出实现方案的关键核心技术为本安化、抗扰、散热、防护技术,基于嵌入式实时操作系统的相关开发技术,嵌入式软PLC平台技术,互联互通协议相关技术,集控系统标准化组态开发技术等。提出采用EIP通信标准实现通信一致性、通信互操作的网络接入架构及采掘系统通信架构,最后指出煤矿采掘装备核心控制技术的发展方向:平台化和标准化,装备的统一管理、互联互通、网络化和多媒体化,核心控制技术的功能安全、网络安全和控制实时性,控制智能化。提出的方案便于采掘装备集成智能化核心控制功能,实现综采、综掘工作面装备数字化入网和集中控制,形成有自主安全性的统一、良性的系统开发生态。

基于遗传算法与BP神经网络的支架跟机自动化研究

针对综采工作面液压支架跟机自动化过程中移架动作存在的丢架、推移不到位等问题,提出了基于遗传算法(GA)与BP神经网络组合模型的控制方法。通过建立BP神经网络控制器为主体的反馈控制,将支架的运动参数输入模型,神经网络控制器计算实际输出与理想输出之间误差,判别是否需要回调控制,并添加遗传算法来优化更新模型的各层阈值和权值,从而得到网络模型的最优解,最终由执行部分来完成输出动作。组合网络模型具有良好的非线性特性,可以更好的满足非线性环境,利用神经网络的预测值与实际输出的差值来得到拟合曲线。通过对BP神经网络模型、GA模型、GA-BP组合模型的均方误差(MSE)分析,判断出GA-BP组合模型具有更快的训练速度和更高的预测准确率。相比较于单一的BP神经网络模型和GA模型,GA-BP组合模型可以很大程度地提高液压支架跟机过程中的推移精度,从而更好地适应综采工作面的环境和设备变化。基于对模型稳定性的分析,绘制组合网络的适应度曲线,种群在第5次迭代后趋于收敛,在第5次到第15次迭代的适应度值就已基本达到稳定,在迭代第15次后种群已达到最优参数集且恒定不变。采用上述方案的液压支架电液控制系统能够自主感知设备各项运动参数的变化,实现支架自身的静态调整和动态演化,可为综采工作面无人化建设提供技术支撑。

千万吨级矿井智能化综采成套装备及关键技术

针对国内厚3~4 m煤层生产效率低、采煤机割煤速度慢、液压支架自移跟机可靠性差等问题,根据转龙湾煤矿Ⅱ-3号煤层233采区煤层赋存情况,为了实现转龙湾煤矿一矿一井一面的千万吨级智能化矿井建设目标,开展了3~4 m厚煤层液压支架、采煤机、刮板输送机等成套装备一体化设计,确定了成套装备的技术参数和关键结构,研制了高可靠性、智能化成套装备,突破了基于惯性导航系统的综采工作面直线度精确检测技术、采煤机记忆截割智能控制技术、基于煤流负荷模型的刮板输送机智能调速技术、工作面端头联合支护技术等关键技术,实现了采煤机自主定位、记忆截割,液压支架自动跟机移架、推移刮板输送机和自动矫直,刮板输送机智能柔性变频调速,2巷超前液压支架协同推进,设备列车的自动控制和快速自移。结果表明,上述关键技术保障了综采装备的成套协同作业和连续回采,工作面具备了年产1000万t的水平,大幅减少了采煤工作面的操作工人数量,实现了远程监控和少人值守常态化模式的智能化采煤作业,自2015年10月在转龙湾煤矿23303工作面进行工程示范应用,效果显著,每班可减少操作工人5人,最高日产达到3.78万t,最高月产90.13万t,建立了3~4 m厚煤层年产千万吨的配套模式,可为类似煤层赋存条件高产高效生产提供经验。

矿山综合地理信息系统研究

分析了GIS在矿山建设和生产管理中的综合应用 ,着重研究了GIS中的数据存贮结构 ,将四维时空数据结构与矿井生产相联系 ,并探讨了矿山GIS所包含的内容。

综采工作面监控信息系统研究

本文采用面向对象的方法对综采工作面监控信息系统进行了分析研究 ,提出了利用自动控制、通信、计算机网络和数据库等技术对综采工作面实施全面监控管理的方法。监控系统的信息结构分为三个层次 ,能够实现在地面对井下综采工作面的信息远程监控。

液压支架电液控制系统的分析和展望

介绍国内外液压支架电液控制系统技术发展概况、电液控制系统的原理和关键技术 ,分析中国发展支架电液系统的必要性和可行性。提出对中国液压支架电液控制系统发展市场前景的展望和建议。

嵌入式宽带综采工作面监测系统研究

介绍了远程嵌入式宽带综采工作面监测系统采用的最新技术,如远程控制、嵌入式应用、SHDSL技术以及CAN总线。建立了矿压监测及工作面推进度计算模型,着重介绍系统的结构及其主要功能。

煤矿无人化智能开采系统理论与技术研发进展

提出以矿井物联网和先进传感等通信方式为支撑环境,构建“感知、传输、决策、执行、运维、监管”六维度智能开采控制系统;基于此系统架构,提出无人化智能开采控制技术路线和系统方案;最后,对煤矿无人化智能开采系统的理论和技术研发最新进展进行了详细论述。利用双光谱热红外摄像及图像增强技术,解决综采工作面生产工况条件下的视觉监控透尘问题;提出多目视频帧图像融合和全景视频拼接技术,解决工作面大视角覆盖以及实时无死角视频监控问题;利用三维颜色查找法,解决增强算法在质量和实时性难以满足井下视觉测量任务的问题。工作面设备自适应控制进一步发展:构建精准三维地质模型,进行开采预测和模型动态修正,为智能开采提供精准地质保障;结合采煤机截割模板修正技术、工作面多源信息融合智能控制技术,规划采煤机割煤路线;利用新一代信息技术,实现高质量的视频传输,满足智能控制及感知设备的无线接入;利用远距离液压保障技术,在有限开采空间内减轻检修强度、增加安全性。在行业当前普遍采用的“工作面内自动控制+远程干预模式”的智能化开采技术基础上,提出了新一代无人化智能采煤控制技术方法,设计了“井上智能决策、井下自动执行、面内无人作业”的智能无人开采模式;提出聚焦“一网到底”的网络型控制系统、基于透明地质的采煤机自主规划割煤技术、云台摄像机自动跟机视频技术以及基于一体化操作座椅的地面远控平台等关键技术的研发,并应用于黄陵一矿627智能化工作面,实现工作面1人巡视,采煤机自主规划截割,地面2人远程辅助控制的常态化生产。

智能化无人开采系列关键技术之一——综采智能化工作面调斜控制技术研究

为解决智能化无人开采关键难题之一的调斜控制问题,采用现场调研、力学分析和工业性试验相结合的方法,得到了工作面调斜控制的内在根本原因及外在诱发原因;阐明了综采工作面刮板输送机的力学行为,得出了刮板输送机发生上窜、下滑和不发生上窜或下滑的力学条件;指出了工作面调斜控制技术中的单向割煤、反向推移刮板输送机、加刀、减刀及加刀减刀联合控制技术原理;提出了综采智能化工作面基于实时推进度监测的调斜控制技术,实时监测运输巷推进度、回风巷推进度及伪斜角度,同时利用安装在机头和机尾的推进度测量装置进行自动对比分析,以达到对综采智能化工作面实时调斜的智能控制。现场工业性试验表明,基于实时推进度监测的工作面超宽带测距最大误差125.0 mm,最小误差0,平均误差25.9 mm,此误差范围内满足综采智能化工作面调斜控制技术的现场需要,可以进行精确的智能调斜控制。

智能化无人开采工作面适用性多层次模糊综合评价研究

为了科学合理评价智能化无人开采工作面的适用性,在综合考虑工作面关键影响因素的前提下,针对智能化无人开采工作面适用性的具体状况,提出层次分析法与模糊综合评价相结合的智能化无人开采工作面适用性评价方法。通过合理地分析选取智能化无人开采工作面的地质条件、巷道布置体系、开采参数、采煤工艺、装备配套、关键技术、保障体系、组织管理作为评价指标,从而确定评价因子,给出主要因素的隶属度确定方法,采用层次分析法构造评价目标的判断矩阵,合理地分配各因素的权重,充分考虑各方面影响因素,建立了智能化无人开采工作面适用性的综合评价模型。将该数学模型应用到智能化无人开采工作面适用性中,对适用性做出好、较好、一般、差的定量评价,可提高智能化无人开采工作面的适用性。利用综合评价指标体系,可以更好地论述模糊综合评价方法的有效性及智能化无人开采工作面适用性的应用前景,为模糊综合评价方法在智能化无人开采系统工程中的推广应用拓展思路。应用工程实例对该方法进行验证,得出1号煤矿802工作面的最大隶属度指数为0.64,分析结果表明其评价结果和现场应用效果一致。

煤矿事故隐患消除科技支撑对策研究

基于系统科学和安全工程理论,分析了煤炭行业安全生产事故隐患分布特征,明确了事故隐患赋存的重点岗位、危险工艺、关键环节以及事故隐患类别,提出了"十四五"及今后更长时期从根本上消除煤矿事故隐患科技支撑的发展目标与路径。在分析隐患治理技术发展现状、问题和趋势基础上,提出了煤炭行业"从根本上消除事故隐患"的总体思路,构建了煤矿安全生产事故隐患消除科技支撑体系,提出了科技支撑主要任务。基于源头治理、系统治理、综合治理和精准治理的安全理念,提出了煤炭行业"十四五"期间"从根本上消除事故隐患"的科技支撑对策。研究结果表明:煤矿安全生产事故隐患涉及安全生产全过程、"人、机、环、管"全要素,可能导致的事故种类多、损失大,地区分布差异大,并不断动态变化。为此需要从源头、从安全生产全过程、从"人、机、环、管"全要素、从隐患演化全流程消除事故隐患。需要构建"全过程监管、全要素包含、全流程覆盖、全方位建设"的安全生产事故隐患消除科技支撑体系,实现隐患源头风险智能预警、隐患科学治理、灾害事故精准防控。"十四五"期间煤炭行业要从科技攻关、重点工程、政策举措等方面从根本上消除事故隐患,提高煤矿隐患治理和重特大事故防控能力。

基于工业互联网体系架构的矿井大数据平台设计与实现

工业互联网是工业系统与新一代信息通信系统深度融合的新型应用模式,是新基建的重要组成部分和促进两化融合的抓手。为推进煤矿智能化改造和升级,探索通过煤炭工业互联网平台的建设,充分利用物联网、大数据、人工智能等先进技术手段,对煤矿企业生产各环节产生的数据进行采集、存储、加工处理和分析利用,打通信息和系统孤岛,实现数据融合和共享,为安全高效生产提供分析和决策支持。首先基于工业互联网产业联盟发布的工业互联网平台整体框架,结合业界应用实践,围绕煤炭行业特殊应用场景,研究适合于矿井的工业互联网平台解决方案。同时通过分析研究煤炭行业业务数据特征,根据不同层级工业互联网平台的定位,尝试给出了工业互联网平台在煤炭行业落地部署时矿井级、集团级、行业级等不同层次工业互联网平台的功能和协同关系。然后进一步深入设计了一种适用于矿井的云边端一体工业互联网平台技术方案,满足矿井智能化生产过程管控需求,并重点对工业互联网平台的核心支撑大数据平台技术体系进行研究,以数据为导向,设计了大数据平台整体功能架构和技术架构。针对大数据平台的核心技术组件选型,搭建试验环境,利用在某矿井综采工作面实际采集的数据进行试验验证,证明整体架构和技术路线可行,大数据平台的数据存储、访问、计算等关键性能指标符合预期。

煤矿智能开采图像识别技术研究及应用

近年来,随着大规模数据信息的积累、理论算法的革新、硬件计算处理能力的提升,人工智能(Artificial Intelligence,AI)迎来了革命性的进步,相关研究和应用进入新发展阶段。我国已将人工智能上升为国家战略[1]。人工智能为煤炭工业提供了新方向、新动力,煤矿智能化是技术变革的必然趋势,也是行业发展的必然要求。2020年2月,国家发展改革委、国家能源局等八部门联合印发的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》明确指出,将人工智能、工业物联网、云计算、大数据、机器人、智能装备等与现代煤炭开发利用深度融合,形成全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制的智能系统。