工作面綜合監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)項(xiàng)目簡(jiǎn)介

1、“工作面綜合監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)”項(xiàng)目簡(jiǎn)介(2004年國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局安全科技成果一等獎(jiǎng))成果詳細(xì)摘要“綜放工作面綜合監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)”屬煤礦井下監(jiān)測(cè)監(jiān)控領(lǐng)域。其主要內(nèi)容是實(shí)現(xiàn)了對(duì)綜放工作面主要設(shè)備工況參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)及礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可就地顯示，也可通過(guò)井下通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄轮行恼具M(jìn)行處理、顯示和簡(jiǎn)單的專家分析，通過(guò)工作面擴(kuò)音電話進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警。各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)同時(shí)通過(guò)電話線傳輸?shù)降孛嬲{(diào)度室進(jìn)行記錄，專家系統(tǒng)分析和各種統(tǒng)計(jì)分析，Windows界面動(dòng)態(tài)演示工作面的狀況，直觀形象，真實(shí)可靠。具體內(nèi)容有：前、后部運(yùn)輸機(jī)工況參數(shù)的監(jiān)測(cè)與分析；轉(zhuǎn)載機(jī)工況參數(shù)的監(jiān)測(cè)與分析；破碎機(jī)工況參數(shù)的監(jiān)測(cè)

2、與分析；泵站工況參數(shù)的監(jiān)測(cè)；乳化液配比的測(cè)量；支架支護(hù)質(zhì)量和頂板壓力的監(jiān)測(cè)與專家系統(tǒng)分析；頂板離層與采動(dòng)影響關(guān)系的監(jiān)測(cè)；巷道變形與采動(dòng)影響關(guān)系的監(jiān)測(cè)；各種設(shè)備開(kāi)停監(jiān)測(cè)及開(kāi)機(jī)率統(tǒng)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)由9個(gè)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，井下中心站，地面主機(jī)，綜采隊(duì)分機(jī)，井下通信總線網(wǎng)絡(luò)和井上下通信網(wǎng)等組成。實(shí)現(xiàn)了綜采放頂煤工作面大規(guī)模的綜合監(jiān)測(cè)，特別是實(shí)現(xiàn)了對(duì)過(guò)去一些只能人工測(cè)量的項(xiàng)目的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，并與專家分析系統(tǒng)相結(jié)合，提高了煤礦井下監(jiān)測(cè)水平，擴(kuò)大了監(jiān)測(cè)手段與內(nèi)容。項(xiàng)目在兗礦集團(tuán)興隆莊煤礦“5318”、 “5319”高產(chǎn)高效綜放工作面使用，為大功率設(shè)備的綜放工作面提供了較為全面的監(jiān)測(cè)手段。系統(tǒng)運(yùn)行可靠，為保障高產(chǎn)高效工作面

3、的安全生產(chǎn)做出了貢獻(xiàn)，取得了較為可觀的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。1 立項(xiàng)背景隨著我國(guó)煤炭事業(yè)的發(fā)展，高產(chǎn)高效工作面技術(shù)在全國(guó)發(fā)展較快，工作面設(shè)備的生產(chǎn)能力也在不斷的提高，各大礦井趨向“一礦一面”發(fā)展，因此對(duì)設(shè)備的管理、狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷提出了更高的要求；因此實(shí)現(xiàn)綜放工作面的綜合監(jiān)測(cè)是十分必要的。 工作面綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要涉及三個(gè)方面的內(nèi)容：工作面礦壓監(jiān)測(cè)技術(shù)、錨桿支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)、工作面設(shè)備的工況監(jiān)測(cè)及故障診斷。（1）采煤工作面的頂板管理及礦壓控制，歷來(lái)是礦壓研究領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)。世界各采煤國(guó)家均在這方面進(jìn)行了不懈的努力。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，世界上一些先進(jìn)的采煤國(guó)家為了在解決礦壓?jiǎn)栴}的同時(shí)提高綜采成套設(shè)備

4、的可靠性，相繼發(fā)展了采煤工作面的礦壓監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化控制系統(tǒng)。 我國(guó)采煤工作面的礦壓監(jiān)測(cè)工作雖然起步較晚，但進(jìn)展很快。先后研制出了多種礦壓監(jiān)測(cè)裝置及系統(tǒng)。但這些系統(tǒng)從使用效果上并不令人滿意，存在監(jiān)測(cè)指標(biāo)單一、實(shí)時(shí)性差以及功能不完善等問(wèn)題，特別是缺乏對(duì)礦壓數(shù)據(jù)的專家系統(tǒng)分析功能。（2）國(guó)內(nèi)外錨桿支護(hù)實(shí)踐表明：錨桿支護(hù)是加固圍巖、提高和利用圍巖自支撐能力、實(shí)現(xiàn)共同承載的主動(dòng)支護(hù)形式，具有經(jīng)濟(jì)、快速和安全的巨大優(yōu)越性。對(duì)錨桿支護(hù)質(zhì)量及頂板離層進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以充分發(fā)揮錨桿支護(hù)的優(yōu)越性，是國(guó)內(nèi)外錨桿支護(hù)技術(shù)攻關(guān)的重要內(nèi)容之一。 在錨桿支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測(cè)方面，國(guó)內(nèi)外均進(jìn)行了大量的巷道圍巖及錨桿支護(hù)監(jiān)測(cè)工作，目前，國(guó)

5、內(nèi)外對(duì)于頂板離層的監(jiān)測(cè)還都是采用人工檢測(cè)方式，存在費(fèi)工費(fèi)時(shí)、數(shù)據(jù)可靠性差等問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)頂板離層的計(jì)算機(jī)在線監(jiān)測(cè)在國(guó)內(nèi)外尚屬首創(chuàng)。（3）設(shè)備工況監(jiān)測(cè)及故障診斷技術(shù)是七八十年代得到迅速發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)，隨著現(xiàn)代大生產(chǎn)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，設(shè)備的復(fù)雜程度日益提高，如何保證設(shè)備的安全運(yùn)行，已成為一個(gè)十分迫切的問(wèn)題。但由于采掘機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷受狹小空間和惡劣環(huán)境的限制，目前采煤機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于現(xiàn)代采煤技術(shù)的發(fā)展速度，更趕不上其它行業(yè)的機(jī)器設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，如國(guó)內(nèi)外對(duì)于泵站、前后部輸送機(jī)、破碎機(jī)的監(jiān)測(cè)還停留在開(kāi)停狀態(tài)和電流的監(jiān)測(cè)，有必要開(kāi)發(fā)采掘機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，并開(kāi)發(fā)有效而

6、實(shí)用的故障診斷系統(tǒng)?，F(xiàn)代化的高產(chǎn)高效礦井向著一礦一面方向發(fā)展，工作面設(shè)備的可靠性是全礦井安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵，因此，更有必要采用先進(jìn)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)，對(duì)工作面設(shè)備進(jìn)行工況監(jiān)測(cè)和故障診斷，以提高工作面設(shè)備的可靠性和利用率。2 技術(shù)方案2.1主要內(nèi)容煤礦生產(chǎn)工作面是一個(gè)環(huán)境惡劣，空間狹窄，存在瓦斯、煤塵、CO等易燃、易爆物質(zhì)、腐蝕性氣體及冒頂、透水等危險(xiǎn)的場(chǎng)合。并且，隨著開(kāi)采活動(dòng)的進(jìn)行，工作面及設(shè)備在不斷地推進(jìn)移動(dòng)，因此國(guó)內(nèi)外煤礦工作面的綜合監(jiān)測(cè)一直是一個(gè)非常困難的問(wèn)題。本項(xiàng)目根據(jù)興隆莊煤礦九五攻關(guān)“高產(chǎn)高效綜采放頂煤工作面”的要求，實(shí)現(xiàn)了綜采放頂煤工作面全部設(shè)備的綜合監(jiān)測(cè)及故障診斷，實(shí)現(xiàn)了

7、支架與礦山壓力的監(jiān)測(cè)、巷道壓力及頂板離層監(jiān)測(cè)等，把高產(chǎn)高效工作面的綜合監(jiān)測(cè)提高到一個(gè)新水平。 工作面綜合監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)主要由：地面主機(jī)系統(tǒng)、井下中心站、支架壓力監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、泵站工況監(jiān)測(cè)及乳化液配比控制子系統(tǒng)、前后部輸送機(jī)工況監(jiān)測(cè)及故障診斷子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)載機(jī)工況監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、破碎機(jī)工況監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、頂板離層及變形監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、采煤機(jī)工況監(jiān)測(cè)及故障診斷接口系統(tǒng)等組成。2.2系統(tǒng)功能各子系統(tǒng)由多個(gè)智能單元組成，智能單元連續(xù)采集各種設(shè)備和環(huán)境等被測(cè)量的數(shù)據(jù)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，并就地顯示。這些監(jiān)測(cè)量主要包括：支架前柱、后柱和前梁的壓力，乳化液泵的各種液位、壓力、流量、乳化液配比，前、后部輸送機(jī)減速箱各

8、點(diǎn)的溫度，轉(zhuǎn)載機(jī)各點(diǎn)溫度，破碎機(jī)各點(diǎn)溫度和堵轉(zhuǎn)，順槽各點(diǎn)的離層和巷道變形，采煤機(jī)各點(diǎn)壓力、溫度、電壓、電流、功率和轉(zhuǎn)速等等；井下中心站通過(guò)通信網(wǎng)與各子系統(tǒng)進(jìn)行通信，查詢相應(yīng)的數(shù)據(jù)； 井下中心站對(duì)各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理,用Windows界面直觀顯示各種被測(cè)量，歷史趨勢(shì)圖，柱狀圖，經(jīng)簡(jiǎn)單專家系統(tǒng)分析故障原因，并給出提示；地面主機(jī)通過(guò)通信線與約10公里遠(yuǎn)的井下中心站進(jìn)行通信，將指令發(fā)給井下中心站，同時(shí)查詢中心站采集來(lái)的系統(tǒng)中的各種數(shù)據(jù)信息；地面主機(jī)進(jìn)行各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分析處理，動(dòng)畫顯示各種設(shè)備的運(yùn)行狀況和速度，以多種形式顯示各系統(tǒng)的參數(shù)，各種歷史數(shù)據(jù)記錄，開(kāi)機(jī)率統(tǒng)計(jì)，故障分析等等；地面主機(jī)對(duì)工作面

9、礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象進(jìn)行專家系統(tǒng)分析，包括：礦壓及支護(hù)質(zhì)量分析，工作面頂板活動(dòng)規(guī)律分析，工作面頂板壓力分布分析，支架實(shí)際工作阻力分析，泵站系統(tǒng)工作狀況分析，支架、頂板及頂煤的穩(wěn)定性分析等，通過(guò)分析給出支護(hù)質(zhì)量的具體評(píng)價(jià)和建議，為工作面頂板控制和安全生產(chǎn)提供依據(jù)；實(shí)現(xiàn)乳化液配比控制，聯(lián)機(jī)閉鎖控制和語(yǔ)音報(bào)警；礦山各有關(guān)科室通過(guò)企業(yè)Intranet網(wǎng)用Web技術(shù)查詢所需的有關(guān)井下生產(chǎn)工作面的各種信息； 各種打印報(bào)表輸出。2.3 總體方案(如圖所示) 地面主機(jī)系統(tǒng) 地面主機(jī)是HP586計(jì)算機(jī)，運(yùn)行綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件顯示各子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)畫面和相應(yīng)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行壓力分析，巷道離層和變形分析，故障預(yù)報(bào)及原因初步分析，歷史

10、數(shù)據(jù)記錄等等。地面主機(jī)特種鎧裝電纜多路電源井下中心站打印機(jī)鍵 盤聯(lián)網(wǎng)顯示器通信模板圖1 工作面綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖支架壓力監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)頂板板離層及巷道變形監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)泵站工況監(jiān)測(cè)及故障診斷、乳化液配比控制子系統(tǒng)前后部輸送機(jī)工況監(jiān)測(cè)及故障診斷子系統(tǒng)破碎機(jī)工況監(jiān)測(cè)及故障診斷子系統(tǒng)轉(zhuǎn)載機(jī)工況監(jiān)測(cè)及故障診斷子系統(tǒng)采煤機(jī)工況監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)接口部分地面主機(jī)軟件設(shè)計(jì)方案 地面主機(jī)系統(tǒng)軟件是地面獲得監(jiān)測(cè)信息的直接窗口，其優(yōu)劣會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的使用效果，因此，整個(gè)系統(tǒng)軟件要求及時(shí)準(zhǔn)確、顯示直觀、操作方便，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，報(bào)表分析完整。利用先進(jìn)的技術(shù)、功能強(qiáng)大的組態(tài)軟件及分析軟件，使得系統(tǒng)具備完善的功能和優(yōu)良的性能：一方

11、面，除了一般意義上的數(shù)據(jù)處理以外，還具備友好的人機(jī)交互界面。另一方面，采用先進(jìn)的技術(shù)手段利用在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行礦壓及支護(hù)質(zhì)量分析、工作面設(shè)備故障診斷等。從而為煤礦生產(chǎn)提供重要的生產(chǎn)管理信息。 1) 地面主機(jī)系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)和運(yùn)行環(huán)境本系統(tǒng)軟件運(yùn)行于32位的Windows NT 4.0環(huán)境下。系統(tǒng)的核心模塊在Delphi3.0可視化工具下開(kāi)發(fā)，其余部分由Visual Basic 和Excel等軟件開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)完全按Windows軟件界面規(guī)范設(shè)計(jì)。主機(jī)需要安裝的軟件主要有：l Windows NT 4.0 Server和Microsoft Internet Information Server3.0(W

12、eb服務(wù))l Delphi,Visual Basic 4.0以上（系統(tǒng)軟件編制工具，通信網(wǎng)關(guān)服務(wù)軟件工具）l 組態(tài)軟件（系統(tǒng)軟件編制工具）l 開(kāi)發(fā)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件（地面主機(jī)部分）l Office97（其他）由于系統(tǒng)規(guī)模較大，因此要求硬件的基本配置是PentiumII233，64MRAM,800*600分辨率，16位色，4G硬盤以上。 2) 地面系統(tǒng)軟件組成由通訊模塊、數(shù)據(jù)處理與顯示模塊、報(bào)表處理模塊和礦壓及支護(hù)質(zhì)量分析模塊、遠(yuǎn)程控制模塊等部分組成。礦壓及支護(hù)質(zhì)量分析模塊軟件特點(diǎn)： l 系統(tǒng)參數(shù)配置靈活、方便。利用組態(tài)軟件的強(qiáng)大功能，硬件的安裝變更，軟件只要作相應(yīng)改動(dòng)即可。l 系統(tǒng)軟件的可視化水平

13、，可適用性強(qiáng)。軟件充分利用多媒體技術(shù)設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，具有直觀、生動(dòng)的特點(diǎn)。系統(tǒng)利用動(dòng)態(tài)提示,操作簡(jiǎn)便。 l 系統(tǒng)開(kāi)放性好。數(shù)據(jù)庫(kù)提供開(kāi)放的SQL服務(wù),方便和其他系統(tǒng)軟件交換數(shù)據(jù)。信息共享方便。l 地面主機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以以各種方式被其他機(jī)器共享。l 較為完善的安全機(jī)制。為了保證系統(tǒng)參數(shù)不會(huì)被任意修改，維護(hù)系統(tǒng)的可靠性，提供了幾種安全機(jī)制：利用NT SERVER 具有的安全機(jī)制、用戶管理和權(quán)限的設(shè)定，保證NT域登錄和遠(yuǎn)程訪問(wèn)的權(quán)限,軟件提供了密碼輸入的方式。井下中心站 井下中心站本安計(jì)算機(jī)的研制是系統(tǒng)的關(guān)鍵，研制考慮的主要原則是：l 計(jì)算機(jī)兼容性，可擴(kuò)展性，高度的可靠性。l 井下主機(jī)應(yīng)能完成數(shù)據(jù)通

14、信、顯示、組網(wǎng)。 l 必須解決防塵、防潮能力，具備良好的密封性，功耗低。l 滿足本質(zhì)安全的防爆要求。井下主機(jī)選型 選擇基于PC總線的PC/104嵌入式計(jì)算機(jī)。通過(guò)硬件改造、本安防爆設(shè)計(jì)和降低功耗的處理，形成井下本安計(jì)算機(jī)。井下主機(jī)的配置及主要技術(shù)指標(biāo) l PCM-486：主板，486 ALL-in-one結(jié)構(gòu)，VGA，以太網(wǎng) (Ethernet），固態(tài)電子盤（SSD）容量:72M；CPU：80486DX2，100MHZ ，內(nèi)存：16MB; Catch:512KB；l 隔離RS-232/RS-422/RS-485模塊，雙向隔離電流環(huán)模塊；l 彩色液晶顯示器，l 按紐鼠標(biāo)操作 l 背光控制及與TK

15、100的接口板l 防爆標(biāo)志：ibI；支架壓力監(jiān)測(cè)與分析子系統(tǒng)l 支架壓力監(jiān)測(cè)單元硬件組成壓力監(jiān)測(cè)單元的組成：AT89C51、A/D變換器、隔離電路、液晶顯示器、發(fā)光二極管、信號(hào)預(yù)處理電路、看門狗電路、485通訊接口、DCDC變換器、三個(gè)壓力傳感器等。本裝置為智能型監(jiān)測(cè)單元，以AT89C51控制工作，壓力傳感器與壓力快速接頭連接，將采集到的模擬信號(hào)送入單片機(jī)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。通過(guò)液晶顯示器分別顯示支架的前柱、后柱、前梁的支架壓力。 l 監(jiān)測(cè)內(nèi)容 綜合工作面支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測(cè)的目標(biāo)應(yīng)是通過(guò)改善支架圍巖關(guān)系，確保端面頂板（煤）穩(wěn)定性，防止其漏冒。影響綜采工作面控頂效果的因素可概括為圖6。 在綜采面地質(zhì)條

16、件及支架架型與參數(shù)一定的條件下，支持質(zhì)量主要反映在支架工作狀態(tài)上。由于老頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)狀態(tài)是給定的，老頂運(yùn)動(dòng)對(duì)采場(chǎng)的影響程度取決于支架選型的合理性及其支護(hù)質(zhì)量，因此，監(jiān)測(cè)應(yīng)以監(jiān)測(cè)支架支護(hù)質(zhì)量為主，并通過(guò)支架阻力的變化和礦壓顯現(xiàn)程度分析頂板壓力的變化及其影響程度，進(jìn)而反饋修正監(jiān)測(cè)指標(biāo)。 l 監(jiān)測(cè)分析應(yīng)用軟件綜放工作面支護(hù)質(zhì)量和頂板壓力監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)軟件是對(duì)所測(cè)工作面壓力信息實(shí)時(shí)全面綜合分析的系統(tǒng)軟件，是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件包的重要組成部分。該系統(tǒng)軟件采用先進(jìn)的面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)，界面生動(dòng)，操作方便，易于維護(hù)。該系統(tǒng)軟件主要由統(tǒng)計(jì)、運(yùn)算功能、監(jiān)測(cè)顯示功能、分析打印功能、報(bào)表處理功能、查詢功能等組成。3 實(shí)施效果工

17、作面綜合監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)自投入以來(lái)達(dá)到了原設(shè)計(jì)的各項(xiàng)指標(biāo)，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，監(jiān)測(cè)監(jiān)控效果良好，使用方便，為煤礦工作面提供了較好的生產(chǎn)安全保障系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益都較為可觀。 3.1 提高了工作面設(shè)備監(jiān)測(cè)水平對(duì)設(shè)備的工況參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，在有故障先兆時(shí)，及時(shí)報(bào)警，使維修人員對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行及時(shí)的預(yù)防性維修、維護(hù)，從而避免了重大事故的發(fā)生，提高了設(shè)備工作效率和設(shè)備完好率，提高了設(shè)備的使用率和使用壽命，減少了維修時(shí)間，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。 3.2 避免了瓦斯積聚該系統(tǒng)的投入，使現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員掌握了大量的工作面壓力、設(shè)備等的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，從而找出了沿空錨網(wǎng)巷道超前支護(hù)的規(guī)律，保障了工作面具有較大的通風(fēng)截面，避免了瓦斯、煤塵等易燃、易爆物的積聚，保證了煤礦安全生產(chǎn)；3.3 找出了頂板來(lái)壓規(guī)律礦山壓力是影響煤礦井下安全生產(chǎn)的一大重要因素，對(duì)礦壓的監(jiān)測(cè)和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行的專家系統(tǒng)分析，找出了該工作面生產(chǎn)過(guò)程中頂板來(lái)壓的規(guī)律，保證了支護(hù)質(zhì)量，杜絕了冒頂事故的發(fā)生。 3.4 提高了生產(chǎn)指揮能力過(guò)去，地面指揮人們對(duì)工作面的實(shí)際情況了解較少，遇到問(wèn)題常常打電話詢問(wèn)情況，但還是說(shuō)不清楚，在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的幫助下，地面指