一种边帮成套采煤设备远程控制系统及开采方法
技术领域
本发明涉及露天煤矿设备控制技术领域，尤其涉及一种边帮成套采煤设备远程控制系统及开采方法。
背景技术
当前我国国民经济正处在迅速发展的时期，对于能源的需求一直在不断的加大，煤炭作为我国的几大能源之一，其主要地位仍然难以动摇。近年来随着我国能源消耗的加大和环境治理政策的提出，对于煤炭利用率和开采率的要求逐年上升。露天煤矿由于其开采的特殊性和相关技术的不完善，其边帮薄煤层积压煤目前在国内大部分处于遗弃状态，针对此，国内目前研制出了一种新型的边帮成套采煤设备，该设备采用连采机实现前端采煤，配合多节运输单元实现后端运煤，从而实现边帮薄煤层积压煤的自动化开采，边帮成套采煤设备包含多种单机设备和附加设备，系统工作需要各设备协调进行。
传统的露天煤矿采煤方式多采用爆破加挖掘机方式开采，效率低下，对积压煤和边角煤往往束手无策，边帮成套采煤设备能高效实现露天煤矿边坡煤的开采，采用巷道掘进方式实现连续工作，但是边帮开采不同于传统的井下巷道掘进，具有不支护，距离短的特点，因此，研发对应的远程操控系统，实现边帮成套采煤设备的无人化掘进是边帮采煤设备工作的核心和基础。此外，不同于传统的单机掘进，边帮成套采煤设备包含连采机，运输单元和行走平台等多种设备，因此对应的远程控制系统必须实现多设备的协同控制，远程操作需要配备完善的信息提示和反馈，这都是边帮成套采煤设备正常工作的重要保障，一套高效便捷的边帮成套采煤设备远程控制系统是实现边帮采煤的基础，也是露天煤矿设备控制技术一项全新的挑战，边帮成套采煤设备远程控制系统及方法对未来露天煤矿开采工作的智能化具有重要里程碑式意义。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供一种边帮成套采煤设备远程控制系统及开采方法。
本发明采取以下技术方案：一种边帮成套采煤设备远程控制系统，会话层，包括各人机交互界面；决策层，包括各控制器；物理层，包括各执行机构和感知元件；会话层、决策层以及物理层采用多种通讯协议方式实现互联。
所述的会话层包括惯性导航界面、设备参数状态界面和视频监控界面；所述的决策层包括主控制器、连采机控制器、运输单元控制器以及行走平台控制器；所述的物理层包括传感器，操作面板和电磁阀。
惯性导航界面实时显示采煤过程中连采机的横滚、俯仰和偏航角；设备参数状态界面实时显示各设备驱动机构的工作参数、协同控制功能参数和设备故障信息；视频监控界面实时显示连采机截割面，装运面和平台运输面画面。
决策层中的主控制器决策功能包括连采机与运输单元的协同控制，多运输单元智能识别控制，设备自动回撤控制，设备联动控制；连采机控制器决策功能包括连采机的截割控制，行走控制，运输控制；运输单元控制器决策功能包括运输单元的启停，多节运输单元信息的交互；行走平台控制器决策功能包括平台的推移升降，尾部运输启停，卸料部运输启停，推移油缸的伸缩，各设备通断电。
物理层中的传感器包括拉线位移传感器、电压电流互感器和压力传感器，其中拉线位移传感器安装在首节运输单元与连采机铰接连接处，用于测量运输单元与连采机空行程距离；电压电流互感器安装于各设备电机的接触器上，用于测量电机的电压和电流；压力传感器安装于各油缸的油管取压小孔，用于测量各油缸的压力值；三种传感器均输出4-20mA信号，接入模拟量输入端子模块EL3048后由各控制器进行信号读取和处理。操作面板包括运输单元操作面板、连采机操作面板和行走平台操作面板，各操作面板分别安装于远程操控台内，控制面板包括按钮、旋钮、开关量摇杆和模拟量摇杆，操作面板发出控制指令后通过CAN通讯方式发送到主控制器中，主控制器根据命令通过ADS通讯方式分别发送给各单设备控制器实现远程控制；电磁阀安装在各油缸处，统一接入EPEC控制器，然后主控制器和各单设备控制器通过CAN通讯方式将油缸伸缩指令发送给电磁阀实现油缸的伸缩动作。
会话层中人机交互界面与决策层中的主控制器之间采用TCP/IP通讯方式；决策层中主控制器与连采机控制器、行走平台控制器和运输单元控制器之间采用ADS通讯方式；物理层中传感器与决策层中连采机控制器、行走平台控制器和运输单元控制器采用RS485通讯方式；物理层中的操作面板和电磁阀与决策层中的主控制器之间采用CAN总线通讯方式。
一种边帮成套采煤设备远程控制系统的控制方法，包括以下步骤。
S100～启动远程操作平台，观察设备参数状态界面，判断各设备间通信是否正常，具体包括主控制器与行走平台控制器、连采机控制器、运输单元控制器的通信状态，主控制器与上位机界面的通信状态。
S200～初始化参数设置，具体包括设置导航的初始参考角度，自动前进的循环次数和距离范围。
S300～按照逆煤流方向从后往前依次启动设备，按照逆煤流方向具体包括：卸料部运输启-尾部运输启-运输单元启-风机启-连采机刮板运输启-连采机装运启-连采机截割启。启动过程如下：操作人员按照操作顺序依次按下位于操作面板的启动按钮，操作面板将控制指令发送给主控制器，主控制器接受到命令后分别将命令下达给各单设备控制器，单设备控制器发出控制指令给各电机控制模块，启动相应电机，操作面板选择联动模式，若检测到后级设备没启动，前级设备无法启动。
S400～进行采煤掘进工作。
S500～按照顺煤流方向从前往后依次停止设备；当连采机采掘深度达到一个运输单元长度时，需要接续下一个运输单元，此时需停止设备运行，即按照顺煤流方向具体包括：连采机截割停-连采机装运停-连采机刮板运输停-风机停-运输单元停-尾部运输停-卸料部运输停。停止过程如下：操作人员按照操作顺序依次按下位于操作面板的停止按钮，操作面板将控制指令发送给主控制器，主控制器接受到命令后分别将命令下达给各单设备控制器，单设备控制器发出控制指令给各电机控制模块，停止相应电机，操作面板选择联动模式，若检测到前级设备没停止，后级设备无法停止。
S600～进行运输单元接续工作；操作人员按下操作面板的运输单元断电按钮，切断运输单元电源后，进行运输单元接续，连接电源电缆和通讯电缆后完成，此时主控制器根据运输单元控制器发回的信息自动识别接续运输单元的单元号，方便进行运输单元的集中控制。
S700～采掘到指定深度后进行设备的自动回撤；具体为：根据巷道顶板条件和煤质状况判定采掘深度，当满足采掘要求后，在设备状态参数界面设置自动回撤的循环次数和距离范围，将运输平台操作面板的“自动回撤”旋到启动位置，开启自动回撤，连采机与运输单元同时后退，保持其连接处距离在150mm内，同时连采机和运输单元电缆自动进行收缩，逐步撤回运输单元，使连采机回到平台初始位置。
与现有技术相比，本发明提供的边帮成套采煤设备远程控制系统，区别于地面一般设备的远程控制系统，是一种包含多种设备在内的煤矿用远控系统，具备多种通讯方式，智能化人机交互界面。所提供的边帮成套采煤设备远程控制方法，以可移动操作平台为基础，实现了多设备的协同控制和流程工艺的自动控制。边帮成套采煤设备远程控制系统及方法是边帮采煤设备的大脑，实现了边帮采煤工作的高效运行，该远控系统及方法可普遍推广至其他边帮成套采煤设备，对成套采煤设备的远程操作具有借鉴意义和价值。
附图说明
图1为本发明提供的一种边帮成套采煤设备远程控制系统结构示意图；
图2为本发明提供的一种边帮成套采煤设备远程控制方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
参阅图1，图1是本发明提供的一种边帮成套采煤设备远程控制系统结构示意图。
如图1所示，该远程控制系统包括：会话层110，决策层120和物理层130。其中会话层110指人机交互界面，决策层120指各控制器及其程序，物理层130指各执行机构和感知元件。
其中会话层110包括惯性导航界面111、设备参数状态界面112和视频监控界面113。其中，惯性导航界面111包括信息为连采机的横滚，俯仰和偏航角。这三个角度都是以初始设置的参考角度为基准显示的，界面包含连采机三维动态位置图。惯性导航界面的交互作用是使操作人员在掘进时保持平行规则成巷，具体实现为，假设初始俯仰角为-1°，横滚角为15°，偏航角为0°，操作人员通过控制连采机的左右履带行走来保证在截割过程中俯仰角保持在-1°左右不变，使巷道底板平整；横滚角保持在15°左右不变，使巷道两侧平整；偏航角保持在0°左右不变，使巷道沿直线前进，根据惯性导航界面提示保证巷道呈一定深度的标准规则矩形形状。连采机的横滚，俯仰和偏航角通过如下方式进行收集：将防爆全站仪安装在连采机机身侧面，全站仪实时检测连采机的位姿信息，将连采机的横滚，俯仰和偏航角以TCP/IP的以太网通讯方式通过无线路由发送给惯性导航界面，惯性导航界面将角度数据动态显示在三维界面上供操作人员参考。
设备参数状态界面112包括信息为各设备驱动机构的工作参数、协同控制功能参数和设备故障信息，设备参数状态界面交互作用是监测和设置各设备工作状态和参数，具体实现为，驱动机构工作参数包括监测连采机的截割、行走、装运电机电流和温度，电机的电流和温度由安装在电机内部的电流互感器和PT100温度传感器测量得出；监测连采机各设备的启停状态，启停状态由各设备的驱动电机电流判断；监测连采机的截割高度和行走速度，截割高度由安装在截割油缸顶部的旋转变压器测量得出，行走速度由连接行走电机的变频器模块测量的得出；上述信息都是通过传感器测量得出后经过控制模块传入连采机控制器，再由连采机控制器122传入主控制器121，主控制器121传送给设备参数状态界面实现显示。监测运输单元的单元号，运输单元单元号预先设置在各运输单元控制器内，监测运输单元电机的启停状态和电流温度，电流温度和启停状态通过运输单元电机内电流传感器和PT100测量得出，运输单元控制器123将上述信息传给主控制器121，主控制器121传给设备参数状态界面。监测行走平台油泵电机的启停状态和电流温度，电流温度和启停状态由安装在电机内的电流传感器和PT100得出，传给行走平台控制器124，行走平台控制器124将上述信息传给主控制器121，主控制器121传给设备参数状态界面。协同控制功能参数包括自动前进和自动回撤的循环次数、最小距离、最大距离，这三个参数可设置；左右推移油缸的伸缩距离和误差距离，该距离由安装太推移油缸处的拉线位移传感器测量测出；连采机和运输单元连接处距离，由连采机与运输单元铰接处拉线位移传感器测量得出；单机联机模式提示。设备故障信息包括所有设备的故障信息，故障设备会自动停机，故障信息由各控制器采集的传感器信号判断得出。
视频监控界面113包括信息为连采机截割面，装运面和平台运输面实时画面，视频监控界面可放大缩小，其交互作用是实现采煤高度速度的控制，出煤量的平稳控制和人员的安全预警，具体实现为，连采机截割面摄像头安装位于截割滚筒正上方，可从画面中观察到滚筒高度，结合设备参数状态界面112的截割高度提示，辅助控制采煤高度和截割速度；连采机装运面摄像头安装位置位于截割油缸底部，可观察到装运刮板煤量，防止落煤过多造成过载；平台运输面摄像头安装位置位于平台上方，视野较广，可防止人员接近和误操作。
其中决策层120包括主控制器121，连采机控制器122，运输单元控制器123，行走平台控制器124。上述的控制器指可编程控制器PLC，控制器的决策功能主要通过对应程序实现。连采机控制器122决策功能包括连采机的截割控制，行走控制，运输控制，截割控制通过电流互感器反馈电流控制截割电机转速，通过旋转变压器反馈高度控制截割油缸电磁阀输出的伸缩速度；行走控制通过电流互感器控制行走电机转速和变频输出；运输控制通过电流互感器控制运输电机转速。运输单元控制器123决策功能包括运输单元的启停，多节运输单元信息的交互，运输单元的启停通过电压电流互感器反馈控制运输电机的启停，多运输单元信息的交互通过CAN通讯方式将各运输单元电压电流信息汇总与首节运输单元。行走平台控制器124决策功能包括平台的推移升降，尾部运输启停，卸料部运输启停，推移油缸的伸缩，各设备通断电，平台的推移升降和推移油缸的伸缩是通过判断压力传感器来调节控制对应油缸电磁阀的输出速度，尾部运输启停，卸料部运输启停和各设备通断电是通过电压电流互感器和接触器完成电机的启停控制的。主控制器121决策功能包括连采机与运输单元的协同控制，多运输单元智能识别控制，设备自动前进回撤控制，设备联动控制；主控制器121接收其余控制器的传输的设备信息，并将控制命令下达给连采机控制器122，运输单元控制器123和行走平台控制器124。主控制器121为单机设备信息集中处理工作站，各控制器之间采用ADS通讯方式实现信息的全双工传输。决策层具体作用体现在控制方法中。
其中物理层130包括操作面板131，传感器132，电磁阀133。操作面板131包括运输单元操作面板，连采机操作面板和行走平台操作面板；三个操作面板分别控制单台设备的各项功能，设备协同控制功能的自动前进回撤控制开关位于运输单元操作面板，各设备单机联机模式由各面板分别控制。传感器132包括拉线位移传感器，电压电流互感器和压力传感器，其中拉线位移传感器作用包括：测量连采机截割高度作为截割高度的控制反馈、测量平台左右推移油缸伸缩距离作为推移油缸同步控制的依据、测量连采机与运输单元连接处空行程距离作为连采机自动前进和回撤协同控制的依据；电压电流互感器作用为测量各电机工作电压电流作为电机故障检测的依据；压力传感器作用为测量油缸压力作为检测油缸工作状态的依据；电磁阀133包括成套设备中所有油缸所配备电磁阀，作用是与控制器模块连接实现油缸伸缩控制。其中拉线传感器量程安装在首节运输单元与连采机铰接连接处，用于测量运输单元与连采机空行程距离；电压电流互感器安装于各设备电机的接触器上，用于测量电机的电压和电流；压力传感器安装于各油缸的油管取压小孔，用于测量各油缸的压力值；三种传感器均输出4-20mA信号，接入模拟量输入端子模块EL3048后由各控制器进行信号读取和处理。操作面板包括运输单元操作面板、连采机操作面板和行走平台操作面板，各操作面板分别安装于远程操控台内，控制面板包括按钮、旋钮、开关量摇杆和模拟量摇杆，操作面板发出控制指令后通过CAN通讯方式发送到主控制器中，主控制器根据命令通过ADS通讯方式分别发送给各单设备控制器实现远程控制；电磁阀安装在各油缸处，统一接入EPEC控制器，然后主控制器和各单设备控制器通过CAN通讯方式将油缸伸缩指令发送给电磁阀实现油缸的伸缩动作。
如图1所示，会话层110，决策层120和物理层130分别以不同的通讯方式形成一个通讯链路。以设备的具体操作流程为基础，其通讯链路作用为： 物理层130中，传感器132的数据通过RS485通讯方式传递给决策层120中的连采机控制器122，运输单元控制器123和行走平台控制器124；连采机控制器122，运输单元控制器123和行走平台控制器124再将传感器信息通过ADS通讯方式传递给主控制器121；同时主控制器121通过CAN通讯方式接收物理层中各电磁阀133的信息；主控制器121将所收到的信息通过TCP/IP通讯方式传递给会话层110；操作人员根据界面提示信息设置相应参数，并操作物理层中的操作面板131实现设备动作控制，操作面板131信息通过CAN通讯方式传递给主控制器；主控制器将控制命令通过ADS通讯方式传递给决策层中连采机控制器122，运输单元控制器123和行走平台控制器124实现相应的动作和功能。
一种边帮成套采煤设备的远程控制主要由操作人员通过操作面板完成，操作面板包括四种类型的操作按钮：10个旋钮、42个平面按钮、20个开关量双向摇杆、14个模拟量双向摇杆。其中旋钮实现功能为选择不同工作模式和参数；平面按钮实现功能为控制设备的启停；开关量双向摇杆功能为控制设备机构的动作方向；模拟量双向摇杆功能为控制设备机构的动作方向和速度。
参阅图2，图2是本发明的一种边帮成套采煤设备远程控制方法流程示意图。共包含以下七个步骤：
S100：启动远程操作平台，观察设备参数状态界面，判断各设备间通信是否正常，具体包括主控制器与行走平台控制器、连采机控制器、运输单元控制器的通信状态，主控制器与上位机界面的通信状态。
S200：初始化参数设置，具体包括设置导航的初始参考角度，自动前进的循环次数和距离范围。
S300：按照逆煤流方向从后往前依次启动设备。按照逆煤流方向具体包括：卸料部运输启-尾部运输启-运输单元启-风机启-连采机刮板运输启-连采机装运启-连采机截割启。启动过程如下：操作人员按照操作顺序依次按下位于操作面板的启动按钮，操作面板将控制指令发送给主控制器，主控制器接受到命令后分别将命令下达给各单设备控制器，单设备控制器发出控制指令给各电机控制模块，启动相应电机，操作面板选择联动模式，若检测到后级设备没启动，前级设备无法启动。
S400：进行采煤掘进工作。具体为：司机将运输单元操作面板上的“自动前进”旋钮开关旋到启动位置，操作连采机操作面板的“截割前进”和“截割升降”开关进行边行走边截割工作，截割过程以设备参数状态界面的截割高度三维指示控制采高，以导航界面的横滚、俯仰和偏航角来控制连采机的航向、以视频监控界面的连采机截割面、装运面和平台运输面摄像头来辅助控制采煤量；连采机在截割前进过程中，后端连接的运输单元自动跟随前进，无需操作人员再单独操作，自动跟随时使连采机和运输单元连接处距离保持在150mm内，防止设备发生碰撞，保持协调前进，运输单元的前进通过左右推移油缸推动，左右推移油缸的同步误差保持在10mm之内。
S500:按照顺煤流方向从前往后依次停止设备。当连采机采掘深度达到一个运输单元长度时，需要接续下一个运输单元，此时需停止设备运行，即按照顺煤流方向具体包括：连采机截割停-连采机装运停-连采机刮板运输停-风机停-运输单元停-尾部运输停-卸料部运输停。停止过程如下：操作人员按照操作顺序依次按下位于操作面板的停止按钮，操作面板将控制指令发送给主控制器，主控制器接受到命令后分别将命令下达给各单设备控制器，单设备控制器发出控制指令给各电机控制模块，停止相应电机，操作面板选择联动模式，若检测到前级设备没停止，后级设备无法停止。
S600：进行运输单元接续工作。具体为：操作人员按下操作面板的运输单元断电按钮，切断运输单元电源后，指挥工作人员进行运输单元接续，连接电源电缆和通讯电缆后完成，此时主控制器根据运输单元控制器发回的信息自动识别接续运输单元的单元号，方便进行运输单元的集中控制，运输单元总共有24节。
S700：采掘到指定深度后进行设备的自动回撤。具体为：根据巷道顶板条件和煤质状况判定采掘深度，当满足采掘要求后，在设备状态参数界面设置自动回撤的循环次数和距离范围，将运输平台操作面板的“自动回撤”旋到启动位置，开启自动回撤，连采机与运输单元同时后退，保持其连接处距离在150mm内，同时连采机和运输单元电缆自动进行收缩。逐步撤回运输单元，使连采机回到平台初始位置。
此外，所提供的边帮成套采煤设备远程控制方法包含单机和联机模式，联机模式下，若其中有单机设备故障急停，前级设备自动停止防止积煤；启动设备时按顺煤流方向后级不启动前级无法启动保护设备和人身安全。
本发明提供的边帮成套采煤设备远程控制系统及方法填补了边帮开采设备远程控制系统的空白，并提供了具体可行的控制方法流程。是首次应用的边帮成套开采设备顺利运行的主要技术基础保障。该控制系统结合边帮成套开采设备的组成单元和工艺流程，采用所设计的特定远程控制系统，实现了边帮成套采煤设备的远程操控和多机协同控制，采用该系统及方法进行边帮成套采煤设备的控制后，能有效减少边帮成套采煤设备的操作人员人数，保证边帮成套采煤设备的工作效率，提高了边帮开采的效率和质量，为边帮开采带来了巨大的社会效益和经济效益。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
