一種煤礦井下綜采工作面生產設備自動停機控制方法與流程

本發明涉及一種綜采工作面生產設備自動化控制方法，尤其是一種煤礦井下綜采工作面生產設備自動停機的控制方法。

技術背景

我國是一個煤炭生產大國，在煤炭行業的高速發展期，我國煤炭開采一直走高危、無序的發展之路，這直接導致了煤炭資源的生產浪費、生產設備的落后和工作人員勞動強度大等問題。目前，我國礦井正按照高產、高效的建設要求進行建設，引進了具有自動化功能的生產設備，在一定程度上提升了生產效率，減少了工作人員的勞動強度。但是，工作面的自動化除了設備自動化外，還要求系統自動化，即協同各設備按照生產工藝自動有序地進行工作。在智慧化礦山的發展趨勢下，迫切需要解決煤礦井下綜采工作面生產自動化這一問題，即實現綜采工作面少人化、無人化的自動化生產。而這也是真正意義上提高生產效率、降低工作人員勞動強度的有效方法。而煤礦井下生產設備遠程一鍵啟停是實現煤礦井下綜采工作面自動化生產的最為基本的一項功能。

煤礦井下綜采裝備主要包括采煤機、液壓支架、刮板輸送機、轉載機、破碎機、泵站、順槽膠帶輸送機。在煤從煤壁落下到運送出工作面的整個過程中，煤依次經由采煤機、刮板運輸機、轉載機、破碎機和膠帶輸送機，形成煤流。在綜采作業過程中，煤流是固定的，為了保證在作業開始時，生產設備能夠快速安全的一次起動，生產設備要盡可能的空載起動。因此，在生產設備停止過程或者設備故障停機過程中要避免堆煤現存的發生。在起動的過程中，生產設備必須按照膠帶輸送機、破碎機、轉載機、刮板輸送機和采煤機的順序依次起動，即逆煤流起動；在停止的過程中，生產設備必須按照采煤機、刮板輸送機、轉載機、破碎機和皮帶的順序依次停止；在出現故障時，生產設備必須按照在故障設備順煤流方向的設備正常停機，在故障設備逆煤流方向的設備全部急停。

目前，生產設備的一鍵啟停控制普遍采用設定固定時間間隔的方法來完成的，即自動啟動過程是生產設備按照“逆煤流啟動”的原則，前一設備啟動后，后一設備進入啟動預警，當啟動預警時間完成后，該設備自動啟動；自動停機過程是生產設備按照“順煤流停止”的原則，前一設備停機后，后一設備進入停機倒計時階段，當倒計時時間完成，該設備自動停機。但這種對生產設備一鍵啟停控制方法尤其是在停機過程中存在以下弊端：（1）如果設定間隔時間過長，可以保證運輸設備的煤完全運出，但是當運輸設備上的煤已經完全運完后，運輸設備仍繼續空載運行，導致能耗較大；（2）如果設定間隔時間過短，可以有效的避免運輸設備空載運行，但是會產生運輸設備上的煤還未運完而停機，導致運輸設備帶載停機，這樣不利于運輸設備再次啟動。

本發明“一種煤礦井下綜采工作面生產設備自動停機控制方法”就是為解決上述弊端而提出的。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種用于煤礦井下綜采工作面生產設備自動停機的控制方法，以解決目前生產設備一鍵停機控制中以時間間隔作為停機標準，而導致的延時停機或提前停機問題，進一步提高生產設備的停機及時性。

為實現上述目的，本發明所采取的技術方案是：提供一種煤礦井下綜采工作面生產設備自動停機的控制方法，具有自動停機、閉鎖保護和時間保護三種功能；所述方法是利用現有的煤礦井下綜采工作面生產自動化控制平臺來采集現場數據，再利用本發明所述方法進行數據處理，以實現正常生產過程中對綜采工作面生產設備自動停機，故障突發時對綜采工作面生產設備進行閉鎖保護，以及在停機過程提供時間保護，以提高自動停機方法的可靠性。

所述的煤礦井下綜采工作面生產自動化控制平臺，包括位于順槽的高速嵌入式電腦UNO-3072A和安裝在各生產設備控制系統（采煤機系統、膠帶輸送系統、三機運輸系統）中的高速數據采集卡PCI-1716，二者通過Modbus TCP/IP通訊協議和以太網（Ethernet）連接在一起構成了生產設備的控制系統。

所述高速數據采集卡PCI-1716用于采集刮板運輸機、轉載機、膠帶輸送機的電流值，檢測采煤機、刮板運輸機、轉載機、破碎機和膠帶輸送機的運行狀態；所述高速嵌入式電腦UNO-3072A用于向各生產設備控制系統發送詢問命令，接受各生產設備控制系統發送的數據，并對數據進行分析和處理，得到對各設備的啟停控制命令。

所述自動停機控制方法，是高速嵌入式電腦UNO-3072A通過Modbus TCP/IP通訊協議向生產設備控制系統發送巡檢命令；高速數據采集卡PCI-1716采集刮板運輸機、轉載機及膠帶運輸機的電流值及運行狀態，并通過Modbus TCP/IP通訊協議發送給高速嵌入式電腦UNO-3072A；高速嵌入式電腦UNO-3072A對所接收的信息進行分析處理，將當前設備的實時電流值與空載電流值進行對比，若當前設備的實時電流值達到了空載電流值之后，則判斷出該設備上的煤全部運出，對該設備進行停機，否則待機等待；

所述生產設備的停機順序為采煤機、刮板輸送機、轉載機、破碎機及膠帶運輸機；待上一設備停機后，同時啟動時間保護計時，若設定時間范圍內系統仍無法判斷運輸設備達到空載，則說明出現故障，系統立刻對設備進行停機；

所述自動停機控制方法包括遠程自動停機與停機閉鎖保護兩種情況。

在正常的生產作業過程中，遠程自動化停機及時間保護具體控制過程如下：

（1）在煤礦井下綜采工作面生產自動化控制系統平臺上按下“一鍵停止”按鈕；

（2）高速嵌入式電腦UNO-3072A通過Modbus TCP/IP通訊協議向各生產設備控制系統發送運行狀態巡檢命令；

（3）各生產設備控制系統接收到巡檢命令后，將各自運行狀態及運輸設備的電流值通過Modbus TCP/IP通訊協議發送給所述的高速嵌入式電腦UNO-3072A；

（4）高速嵌入式電腦UNO-3072A首先判斷采煤機的運行狀態，若采煤機正在運行當中，高速嵌入式電腦UNO-3072A向采煤機控制系統發送采煤機停機命令，并開始對刮板輸送機的電流值進行檢測，同時觸發刮板輸送機停機時間保護機制；若采煤機已處于停機狀態，則高速嵌入式電腦UNO-3072A直接開始對刮板輸送機的電流值進行檢測，同時觸發刮板輸送機停機時間保護機制；

（5）高速嵌入式電腦UNO-3072A在刮板輸送機停機時間保護規定時間范圍內檢測到的刮板輸送機的電流值小于空載電流值之后，向運輸三機監測系統發送刮板輸送機停機命令，并開始對轉載機的電流值進行檢測，同時觸發轉載機停機時間保護機制；高速嵌入式電腦UNO-3072A在刮板輸送機停機時間保護規定時間范圍內未檢測到的刮板輸送機的電流值小于空載電流值，直接向運輸三機監測系統發送刮板輸送機停機命令，并開始對轉載機的電流值進行監測，同時觸發轉載機停機時間保護機制；

（6）高速嵌入式電腦UNO-3072A在刮板輸送機停機時間保護規定時間范圍內檢測到的轉載機的電流值小于空載電流值之后，向運輸三機系統發送轉載機和破碎機停機命令，并開始對膠帶輸送機的電流值進行檢測，同時觸發膠帶輸送機停機時間保護機制；高速嵌入式電腦UNO-3072A在刮板輸送機停機時間保護規定時間范圍內未檢測到的轉載機的電流值小于空載電流值，直接向運輸三機系統發送轉載機和破碎機停機命令，并開始對膠帶輸送機的電流值進行檢測，同時觸發膠帶輸送機停機時間保護機制

（7）高速嵌入式電腦UNO-3072A在膠帶運輸機停機時間保護規定的時間范圍內檢測到的膠帶輸送機的電流值小于空載電流值之后，向膠帶輸送機控制系統發送膠帶輸送機停機命令，高速嵌入式電腦UNO-3072A在膠帶運輸機停機時間保護規定的時間范圍內未檢測到的膠帶輸送機的電流值小于空載電流值，直接向膠帶輸送機控制系統發送膠帶輸送機停機命令。在此完成了整個工作面生產設備的自動停機。

在正常的生產作業過程中，如果某一生產設備出現了故障，生產設備的停機閉鎖保護及時間保護具體控制過程如下：

（1）在某一生產設備出現故障后，所述的煤礦井下綜采工作面生產自動化控制系統平臺會進行報警；

（2）所述的高速嵌入式電腦UNO-3072A根據所述的煤礦井下綜采工作面生產自動化控制系統平臺報警信號，切換至急停模式；

（3）所述的高速嵌入式電腦UNO-3072A找到發生故障的生產設備后，向故障設備逆煤流方向設備的控制系統發送停機命令，停止逆煤流方向的所有設備；

（4）所述的高速嵌入式電腦UNO-3072A通過 Modbus TCP/IP通訊協議向故障設備順煤流方向的生產設備控制系統發送運行狀態巡檢命令，各生產設備控制系統接收到巡檢命令后，將各自運行狀態及運輸設備的電流值通過Modbus TCP/IP通訊協議發送給所述的高速嵌入式電腦UNO-3072A；

（5）所述的高速嵌入式電腦UNO-3072A在運輸設備停機時間保護規定的時間內檢測到的運輸設備的電流值小于空載電流值之后，向運輸三機控制系統和膠帶輸送機控制系統發送相應的停機控制命令；所述的高速嵌入式電腦UNO-3072A在運輸設備停機時間保護規定的時間內未檢測到的運輸設備的電流值小于空載電流值，直接向運輸三機控制系統和膠帶輸送機控制系統發送相應的停機控制命令，直到膠帶輸送機停機。

上述技術方案中采用實時監測可以反映運輸設備載荷量的電流值的方法來判斷運輸設備的載荷狀態；有效地解決了現有綜采工作面一鍵啟停控制中，因停機時間間隔設置過長而導致運輸設備長時間空載運行而造成能源浪費的問題，因停機時間間隔設置過短而導致運輸設備帶載停機而造成大面積堆煤的問題；實現了運輸設備達到空載狀態時及時停機的目的，提高了綜采工作面一鍵停機的自動化能力，同時具有高效性和節能性；同時增加了時間保護機制，有效地避免了因系統的判斷空載出錯，使綜采工作面生產設備無法停機的問題，提高了系統的可靠性。

本發明的有益效果是：打破了傳統的自動停機設計理念，解決現有生產設備停機不及時的問題；具有實時檢測生產設備的運行狀態和監測生產設備各種故障的功能；具有時間保護機制，能夠保證在檢測出錯時，仍然可以將生產設備停機；能判斷生產設備的載荷量，在生產設備達到空載后才會停機，避免生產設備帶載停機；能判斷生產設備的載荷量，在生產設備空載后及時停機，實現節能降耗。

附圖說明

圖1是本發明煤礦井下綜采工作面生產自動化控制平臺結構示意圖；

圖2是本發明系統原理圖；

圖3是本發明煤礦井下生產設備遠程自動化停機控制流程圖；

圖4是本發明煤礦井下生產設備故障閉鎖保護控制流程圖。

具體實施方式

以下為了便于理解本發明的目的、技術方案及優點，結合附圖對本發明的具體實施方式做出進一步的說明。應當理解，此處所描述的具體實施方案僅僅用于解釋本發明，并不用于對本發明進行限定。

本發明利用高速嵌入式電腦UNO-3072A、高速數據采集卡PCI-1716、WinCC前端開發平臺、SQLServer數據庫、Modbus TCP/IP通訊協議和以太網（Ethernet）構成煤礦井下綜采工作面生產自動化控制平臺，在該平臺下實現了煤礦綜采工作面生產設備自動停機和閉鎖保護控制，其具體實現方法如下。

所提供的煤礦井下綜采工作面生產自動化控制平臺的硬件連接圖如圖1所示。自動化控制平臺和每一個控制系統都包括高速嵌入式電腦UNO-3072A、高速數據采集卡PCI-1716，高速嵌入式電腦應用WinCC前端開發平臺和SQLServer數據庫開發自動化控制軟件，各個系統與自動化控制之間通過Modbus TCP/IP通訊協議和以太網（Ethernet）進行信息傳送。所述的煤礦井下綜采工作面生產自動化控制平臺采用“二級網絡”結構，由位于順槽的高速嵌入式電腦UNO-3072A和位于生產設備上的各控制系統組成。二級網絡之間的數據通訊經交換機由Modbus TCP/IP通訊協議和以太網（Ethernet）實現。所述的煤礦井下綜采工作面生產自動化控制平臺中的高速數據采集卡PCI-1716用于采集刮板輸送機、轉載機、破碎機和膠帶輸送機的電流值，以及沿線各設備的運行狀態；SQLServer數據庫用于對生產設備過程數據的存儲、處理，WinCC前端開發平臺用于對煤礦井下綜采工作面生產設備自動停機及閉鎖保護功能的開發實現。

所提供的煤礦井下綜采工作面生產設備自動停機原理如圖2所示。在由WinCC開發的控制軟件中按下“一鍵停止”按鈕，所述的高速嵌入式電腦UNO-3072A開始對生產設備控制系統進行巡檢，獲取各生產設備的運行狀態及各運輸設備的電流值，按照采煤機、刮板輸送機、轉載機、破碎機和膠帶輸送機的順序逐級檢測設備的運行狀態和電機的電流值。其正常停機步驟如下：

（1）在煤礦井下綜采工作面生產自動化控制平臺上進行“一鍵停機”操作后，高速嵌入式電腦UNO-3072A首先要向采煤機控制系統發送停止命令，停止采煤機，否則運輸設備不可停機；

（2）采煤機停機后，高速嵌入式電腦UNO-3072A檢測刮板輸送機的運行狀態和電機的電流值，同時啟動時間保護機制，若在限定時間內檢測到刮板輸送機的電流值已達到空載電流值，則系統向刮板輸送機發送停機命令；若在限定時間內檢測不到運輸刮板輸送機的電流值已達到空載電流值，則系統認為空載判斷失效，立刻停止刮板輸送機；

（3）刮板輸送機停機后，高速嵌入式電腦UNO-3072A檢測轉載機的運行狀態和電機的電流值，同時啟動時間保護機制，若在限定時間內檢測到轉載機的電流值已達到空載電流值，則系統向轉載機和破碎機發送停機命令；若在限定時間內檢測不到轉載機的電流值已達到空載電流值，則系統認為空載判斷失效，立刻停止轉載機和破碎機；

（4）轉載機和破碎機停機后，高速嵌入式電腦UNO-3072A檢測膠帶輸送機的運行狀態和電機的電流值，同時啟動時間保護機制，若在限定時間內檢測到膠帶輸送機的電流值已達到空載電流值，則系統向膠帶輸送機發送停機命令；若在限定時間內檢測不到膠帶輸送機的電流值已達到空載電流值，則系統認為空載判斷失效，立刻停止膠帶輸送機。

至此，綜采工作面生產設備自動停機過程完成。在自動停機過程中，可以保證了綜采工作面生產設備及時停機；同時系統具有相應保護機制，避免了系統因監測量不準而失控，提高了系統的保護措施，使系統更為可靠。整個停機控制流程如圖3所示。

在綜采工作面生產設備進行正常生產過程中，某一設備出現故障后，為了防止故障的擴大，需要對生產設備進行相應的停機閉鎖保護，即故障設備逆煤流方向的生產設備全部急停，順煤流方向的生產設備順序正常停機。本實施例以刮板輸送機故障為例進行說明，生產設備停機閉鎖保護步驟如下：

（1）在綜采工作面生產設備進行正常生產過程中，當刮板輸送機發生故障時，所述的煤礦井下綜采工作面生產自動化控制平臺進行燈光報警，所述的高速嵌入式電腦UNO-3072A得到刮板輸送機故障信號后，迅速對生產設備進行停機閉鎖保護；

（2）所述的高速嵌入式電腦UNO-3072A向采煤機控制系統和運輸三機控制系統發送采煤機和刮板輸送機停機命令；

（3）采煤機和刮板輸送機停機后，高速嵌入式電腦UNO-3072A檢測轉載機的運行狀態和電機的電流值，同時啟動時間保護機制，若在限定時間內檢測到轉載機的電流值已達到空載電流值，則系統向轉載機和破碎機發送停機命令；若在限定時間內檢測不到轉載機的電流值已達到空載電流值，則系統認為空載判斷失效，立刻停止轉載機和破碎機；

（4）轉載機和破碎機停機后，高速嵌入式電腦UNO-3072A檢測膠帶輸送機的運行狀態和電機的電流值，同時啟動時間保護機制，若在限定時間內檢測到膠帶輸送機的電流值已達到空載電流值，則系統向膠帶輸送機發送停機命令；若在限定時間內檢測不到膠帶輸送機的電流值已達到空載電流值，則系統認為空載判斷失效，立刻停止膠帶輸送機。

至此，在綜采工作面生產設備進行正常生產過程中，某一設備突然出現故障時，本發明所述方法可以對綜采工作面生產設備進行停機閉鎖保護，在保證故障設備可以及時停機的前提下，最大限度的降低了運輸設備上的堆煤量，有效的避免了故障的擴大，同時也降低了工作人員的勞動強度。故障情況下生產設備停機閉鎖保護流程如圖4所示。

上述技術方案中有效地解決了現有綜采工作面一鍵啟停控制中，因停機時間間隔設置過長而導致運輸設備長時間空載運行而造成能源浪費的問題，因停機時間間隔設置過短而導致運輸設備帶載停機而造成大面積堆煤的問題；實現了運輸設備達到空載狀態時及時停機的目的，提高了綜采工作面一鍵停機的自動化能力，同時具有高效性和節能性。