文章來源：《智能礦山》2022年第7期“智能裝備”專欄

作者簡介：張陽，工程師，主要從事煤礦網(wǎng)絡與采煤機嵌入式系統(tǒng)、采煤機智能化開采應用方面的研究工作

引用格式：張陽.采煤機智能化技術(shù)成果與展望[J].智能礦山，2022，3（7）:70-79.

中煤科工集團上海有限公司（原煤炭科學研究總院上海分院，以下簡稱上海煤科）創(chuàng)建于1959年，是央企中國煤炭科工集團有限公司全資子公司，主要從事煤礦井下與礦山系統(tǒng)成套設(shè)備與技術(shù)的研發(fā)、制造、銷售，以及提供產(chǎn)品全生命周期服務的現(xiàn)代化經(jīng)營型企業(yè)。主導產(chǎn)業(yè)是采掘機械成套設(shè)備、輸送機械系列產(chǎn)品、自動化智能控制系統(tǒng)和智能礦山信息化系統(tǒng)、游樂設(shè)備及煤礦機械、電氣和非金屬材料檢測等。上海煤科是我國煤炭行業(yè)煤礦專用設(shè)備標準化技術(shù)委員會、中國煤炭學會煤礦機電一體化專業(yè)委員會、中國電工技術(shù)學會煤礦電工專業(yè)委員會、中國煤炭工業(yè)安全科學技術(shù)學會機電安全專業(yè)委員會和防靜電及阻燃材料專業(yè)委員會、中國煤炭機械工業(yè)協(xié)會礦燈及井下照明專業(yè)委員會的掛靠單位，是國際標準化組織ISO/TC82采礦國內(nèi)技術(shù)對口單位。

在采煤機方面，上海煤科目前的采煤機產(chǎn)品包括6大類190多種型號，是我國采煤機產(chǎn)品生產(chǎn)種類最多、型號最豐富的設(shè)備制造商。上海煤科智能化采煤機采用自主研發(fā)的新型DSP+ARM采煤機控制系統(tǒng)，以先進的設(shè)計和強大的功能推動采煤機技術(shù)的發(fā)展進步，連續(xù)多年采煤機銷售數(shù)量穩(wěn)居行業(yè)第一，并對外出口到俄羅斯、烏茲別克斯坦、土耳其、孟加拉等國家，是我國電牽引采煤機的重要創(chuàng)新基地。近年來，上海煤科研制生產(chǎn)的特厚煤層超大功率系列采煤機，適應采高5.0~9.0 m，裝機功率2 750~3 450 kW，整機質(zhì)量221~230 t，生產(chǎn)能力≥1 500萬t/a。特別是MG1100/3050-WD型超重型超大采高電牽引采煤機，裝機功率達到3 450kW，可實現(xiàn)9 m超厚煤層的一次采全高智能化高效開采，創(chuàng)采煤機裝機功率與開采高度世界之最。

01 新型采煤機電控系統(tǒng)

新型 DSP+ARM 電控系統(tǒng)特點

上海煤科研發(fā)的新型D S P+A R M電控系統(tǒng)（TDECS系統(tǒng)），是專為煤機應用設(shè)計的一種分布嵌入式控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以高性能的DSP技術(shù)為基礎(chǔ)，先進的ARM處理器為核心，使用高可靠CAN總線和工業(yè)以太網(wǎng)等技術(shù)將各功能模塊及外部智能化設(shè)備連接在一起，實現(xiàn)互聯(lián)互通交互訪問。新型DSP+ARM電控系統(tǒng)具備全面的工況監(jiān)測與智能化故障診斷和保護功能，高級的參數(shù)化、智能化記憶截割自動操縱系統(tǒng)，穩(wěn)定可靠的全功能遠程操作控制功能，并具有超強的系統(tǒng)擴展能力。

借助高性能的DSP與ARM技術(shù)，電控系統(tǒng)程序掃描周期小于200 μs，總運算指令能力可達每秒5.5億次。高實時性的電控系統(tǒng)設(shè)計讓各個控制和接入接口設(shè)備都能在預定的時間進行交互訪問，減少設(shè)備等待時間，大幅提高了控制系統(tǒng)的接入靈敏度；針對采煤機電控系統(tǒng)牽引調(diào)速控制功能及自動截割綜合決策功能的高數(shù)據(jù)流信息處理，結(jié)合DSP指令集及FPU指令集的優(yōu)良性能和高效率，讓牽引系統(tǒng)調(diào)速控制更加精準高效，綜合決策更加合理，使采煤機在復雜的地質(zhì)條件下具備更加智能化的響應效果。

電控系統(tǒng)架構(gòu)

新型DSP+ARM電控系統(tǒng)將采煤機的各種功能劃分為多個獨立功能模塊，各模塊具備獨立運行的處理器，通過CAN、網(wǎng)絡總線、FSK等互聯(lián)，上海煤科采煤機電控基礎(chǔ)架構(gòu)如圖1所示，在該架構(gòu)的基礎(chǔ)上支持進一步擴展升級。

圖1 上海煤科采煤機電控基礎(chǔ)架構(gòu)

煤機性能與遠控

（1）上海煤科特有的FSK調(diào)制傳輸實時控制通信系統(tǒng)，采用高抗干擾的FSK調(diào)制全雙工載波通信，可實現(xiàn)開機前安全自檢和預警電源同步傳輸。

（2）全面支持巷道對采煤機進行可靠低延遲的操作控制及數(shù)據(jù)監(jiān)視，并支持數(shù)據(jù)上傳。

（3）從巷道到采煤機內(nèi)部，指令傳輸延遲11 ms，延時抖動小于1 ms。

（4）基于優(yōu)先級的操作監(jiān)控延時控制與保障，總延遲控制在50~200 ms。

（5）支持EIP、工業(yè)以太網(wǎng)TCP/IP、RS485、CAN等通信協(xié)議。

（6）支持WiFi、光纖、寬帶載波、4G/5G等多種通信傳輸方式。

02 智能截割開采技術(shù)

智能自主截割系統(tǒng)

采煤機智能自主截割系統(tǒng)是上海煤科研制的電牽引采煤機控制系統(tǒng)的高級功能，用于提升采煤機的自動化水平，增強采煤機的操控性能，減輕采煤司機的勞動強度，提高生產(chǎn)效率。

采煤機智能自主截割系統(tǒng)由截割控制模塊、自動截割軟件包、傳感檢測模塊、配套傳感器等組成。該系統(tǒng)采用自由曲線截割方式，帶端頭工藝支持，滿足復雜的截割條件，可完全按照實際學習的采煤工藝實現(xiàn)兩端頭復雜的斜切、割三角煤、掃底自動截割運行。

在執(zhí)行自主截割時，可以隨時通過遙控器等操作設(shè)備對采煤機的截割狀態(tài)進行速度、方向、搖臂高度的干預，可在截割模型中選擇記錄或放棄該次干預，很大程度上提高了采煤機的應用靈活性。智能自主截割的操作比較簡單，便于采煤機司機熟練使用。

基于地質(zhì)模型的自適應截割

上海煤科采煤機支持配置專門規(guī)劃截割（GMP/GMI）模塊，用于與工作面地質(zhì)模型主機交互獲取規(guī)劃截割模型、工藝數(shù)據(jù)，并執(zhí)行相應的地質(zhì)模型規(guī)劃控制，采煤機地質(zhì)模型規(guī)劃截割模塊如圖2所示。模塊內(nèi)置專用高可靠固態(tài)存儲器，用于保存上位模型主機下發(fā)的截割工藝過程數(shù)據(jù)，并通過多個以太網(wǎng)口與上位機及采煤機內(nèi)模塊互聯(lián)。采煤機規(guī)劃截割的功能與新型DSP+ARM電控系統(tǒng)原有的上位機遠程監(jiān)視、操作控制及記憶截割系統(tǒng)相對獨立并兼容。常規(guī)的遠控操作及狀態(tài)還是通過原來的采煤機巷道監(jiān)控箱自動化通信接口交互控制。在自動規(guī)劃截割的運行過程中，上位機可同時通過自動化通信接口對采煤機采高及行走進行人工干預。

圖2 采煤機地質(zhì)模型規(guī)劃截割模塊

采煤機基于地質(zhì)模型的自適應精準控制是在采煤機智能截割系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過接收上位機下發(fā)的由煤層精準地質(zhì)模型得到的采高規(guī)劃矢量數(shù)據(jù)，在采煤機自動截割運行過程中，對采煤機左右滾筒采高沿煤層分布自動調(diào)節(jié)，進行自適應精準控制下的自動割煤。采煤機地質(zhì)模型規(guī)劃截割如圖3所示，該工藝方法無需采煤機司機時刻本地跟機或遠程跟機調(diào)整搖臂，可有效降低操作人員的勞動強度，保證采煤機始終處在地質(zhì)模型規(guī)劃的采高范圍內(nèi)精準截割。

圖3 采煤機地質(zhì)模型規(guī)劃截割示意

采煤機狀態(tài)監(jiān)測感知

智能截割系統(tǒng)配套傳感檢測網(wǎng)絡包含左右滾筒采高傳感器、采煤機牽引速度與工作面位置傳感器、機身傾角、俯仰角度傳感器和位置同步、水路壓力、水路流量、泵背壓力、泵箱油位、左右搖臂溫度、左右牽引箱溫度、泵箱溫度、電纜張力等多種信號監(jiān)測，采煤機機載傳感系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 采煤機機載傳感系統(tǒng)

智能截割性能

上海煤科智能自主截割系統(tǒng)支持多達30個截割工藝段運行狀態(tài)的記憶和準確再現(xiàn)，很好地支持了國內(nèi)工作面復雜的端頭截割工藝，實現(xiàn)了采煤機循環(huán)作業(yè)全過程的自動化智能截割。采煤機智能割煤開采工藝如圖5所示。自動運行的采煤機在長度為300 m的工作面上，其行走位置控制精度優(yōu)于±5 cm，滾筒截割高度的穩(wěn)態(tài)重復誤差小于±1.5%。

圖5 采煤機智能割煤開采工藝示意

智能自主截割系統(tǒng)支持基于地質(zhì)模型的規(guī)劃截割，通過EIP協(xié)議獲取工作面的三維地質(zhì)模型相關(guān)數(shù)據(jù), 應用開采水平控制策略，可實現(xiàn)基于地質(zhì)模型的自適應精準割煤，為少人無人化開采助力。

03 智能化升級組件

機載單對芯千兆以太網(wǎng)

上海煤科在煤機領(lǐng)域首次應用兩芯千兆以太網(wǎng)技術(shù)，成功研發(fā)出適用于煤機應用的單對線（兩芯）千兆以太網(wǎng)機內(nèi)互聯(lián)通信模塊、單一雙絞線網(wǎng)絡交換機等模塊，組建了采煤機專用高集成、千兆無阻塞單對線以太網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)。單對芯以太網(wǎng)絡的優(yōu)點如圖6所示，簡化了系統(tǒng)連接，解決了采煤機智能化、網(wǎng)絡化對數(shù)據(jù)傳輸及功能擴展的需求，為智能化采煤機的物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)應用提供高帶寬骨干網(wǎng)絡支持，相關(guān)指標處于國際領(lǐng)先水平。

圖6 單對芯以太網(wǎng)絡的優(yōu)點

搖臂健康監(jiān)測系統(tǒng)

上海煤科采煤機搖臂健康監(jiān)測系統(tǒng)包含采煤機搖臂振動在線監(jiān)測系統(tǒng)和采煤機搖臂油液在線監(jiān)測系統(tǒng)（預研中），可實時監(jiān)測左右搖臂振動情況。該系統(tǒng)支持實時監(jiān)測左右搖臂傳動系統(tǒng)內(nèi)部油液的溫度、介電性能、金屬磨粒污染等情況，為搖臂的健康診斷和預警提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，高度集成的搖臂油液傳感器如圖7所示。

圖7 高度集成的搖臂油液傳感器

采煤機碰撞干涉系統(tǒng)

基于雷達的采煤機碰撞干涉保護系統(tǒng)以先進的毫米波雷達技術(shù)和FPGA信號處理技術(shù)為基礎(chǔ)，監(jiān)測精度為±0.01 m，具有IP67的防水等級，能夠在井下工作面復雜惡劣的工況環(huán)境下不受水、煤灰和振動的干擾，實時監(jiān)測采煤機滾筒與液壓支架頂護板的距離，并執(zhí)行預警和保護。采煤機機載防碰撞雷達及安裝效果如圖8、圖9所示。

圖8 采煤機機載防碰撞雷達

圖9 采煤機機載防碰撞系統(tǒng)安裝示意

采煤機人員接近保護系統(tǒng)

采煤機人員接近保護系統(tǒng)，接近探測基于UWB測距技術(shù)，通過在左右搖臂各安裝1臺UWB收發(fā)器，操作人員佩戴定位標識卡，實時監(jiān)測定位標識卡與采煤機左右截割部的距離，并在采煤機機載顯示屏上實時顯示及聲光預警。采煤機人員接近保護系統(tǒng)安裝配置如圖10所示，當人員進入紅色保護區(qū)時，采煤機將啟動保護動作，確保井下作業(yè)人員的人身安全，提高生產(chǎn)效率。

圖10 采煤機人員接近保護系統(tǒng)配置示意

04 采煤機慣導應用技術(shù)

采煤機慣導應用

天地科技股份有限公司和上海煤科通過與澳大利亞聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織（CSIRO）技術(shù)合作，簽署了LASC技術(shù)許可協(xié)議、LASC硬件制造授權(quán)協(xié)議等系列協(xié)議，向中國大陸地區(qū)提供CSIRO的LASC技術(shù)與產(chǎn)品的銷售、服務、技術(shù)支持和商務推廣。

LASC技術(shù)受國際和中國專利保護，LASC慣導采煤機定位及找直應用在行業(yè)同類應用中處于領(lǐng)先水平，上海煤科是國內(nèi)獨家將LASC慣性導航系統(tǒng)與采煤機電控系統(tǒng)進行深度融合，提供EIP協(xié)議全面支持的廠家，基于高精度慣性導航采煤機位置測量系統(tǒng)（SPMS）實現(xiàn)軌跡檢測對工作面液壓支架和刮板輸送機的自動對齊找直、采煤機開采水平控制。上海煤科具有國內(nèi)獨家LASC硬件制造授權(quán)，是國內(nèi)唯一一家支持為業(yè)內(nèi)其他采煤機廠家安裝應用LASC系統(tǒng)并提供硬件及適配接口等技術(shù)與服務的廠家。

采煤機慣導功能

（1）采煤機位置測量

使用慣性陀螺儀（精度達1.0×10-3 rad）導航技術(shù)可精確測量采煤機在井下三維空間的坐標位置，采煤機在工作面三維位置測量如圖11所示。

（2）工作面自動找直

LASC自動找直功能可幫助保持長壁工作面的直線度?；诟呔葢T性定位裝置開發(fā)的采煤機三維導航定位技術(shù)，可實現(xiàn)精確的工作面對齊調(diào)直控制，LASC自動找直功能的實踐應用如圖12所示。

（3）高級水平控制

以礦井提前物探所獲得的地質(zhì)數(shù)據(jù)建立的截割模型為基礎(chǔ)，通過光學、紅外等手段實時修正模型，與慣導精準定位相結(jié)合，修正采煤機的搖臂高度控制，從而使采煤機沿工作面走向方向始終在煤層中行進，為煤礦井下少人無人化自適應精準開采提供支撐。

(a) 井下工作面三維場景示意 (b) 慣導系統(tǒng)測量煤機三維位置 圖11 采煤機在工作面三維位置測量示意

(a) LASC示范應用礦井 (b) LASC自動找直工作面 圖12 LASC自動找直功能實踐應用

采煤機電控與慣導深度融合

上海煤科采煤機新型DSP+ARM電控系統(tǒng)與LASC慣性導航系統(tǒng)實現(xiàn)了深度融合（圖13），通過軌跡監(jiān)測可對工作面液壓支架和刮板輸送機自動對齊找直提供有效支持，長度為300 m的工作面，采煤機三維姿態(tài)定位誤差優(yōu)于10 cm。

慣導系統(tǒng)提供采煤機導航與定位功能、工作面自動找直功能、三維實時建模測量，可根據(jù)三維地質(zhì)模型支持工作面透明開采。此外，慣導系統(tǒng)軟件用戶界面友好，使用配置方便；向第三方提供公開標準規(guī)范接口。目前上海煤科采煤機LASC慣導系統(tǒng)已在國內(nèi)煤礦投入使用超過50臺套。

圖13 上海煤科煤機電控與慣導系統(tǒng)深度融合示意

05 5G+互聯(lián)網(wǎng)融合技術(shù)

采煤機 5G+ 互聯(lián)網(wǎng)應用架構(gòu)

上海煤科采煤機互聯(lián)網(wǎng)應用是由工作面采煤機主機網(wǎng)絡、采煤機到巷道通信網(wǎng)絡，礦井光纖環(huán)網(wǎng)/5G網(wǎng)絡，以及遠程互聯(lián)網(wǎng)和網(wǎng)絡應用組成的一體化監(jiān)控服務體系?；ヂ?lián)網(wǎng)應用實現(xiàn)了采煤機產(chǎn)品多項創(chuàng)新，采煤機5G+互聯(lián)網(wǎng)應用的架構(gòu)如圖14所示。2021年，上海煤科與內(nèi)蒙古智能煤炭有限責任公司麻地梁煤礦、中國移動通信集團有限公司、華為技術(shù)有限公司、上海山源電子科技股份有限公司等業(yè)務單位通力合作，在麻地梁煤礦井下實現(xiàn)了采煤機基于5G+遠控的融合應用，成功實現(xiàn)了采煤機5G遠程操控，為行業(yè)樹立了標桿。采煤機5G+互聯(lián)網(wǎng)遠程展示如圖15所示。

圖14 采煤機5G+互聯(lián)網(wǎng)應用架構(gòu)

圖15 采煤機5G+互聯(lián)網(wǎng)遠程展示

采煤機 5G 冗余遠控裝置

5G通信技術(shù)具有大帶寬、廣連接、低時延等優(yōu)點，充分契合了煤礦井下設(shè)備通信監(jiān)控對網(wǎng)絡的需求，具有良好的應用前景。上海煤科在麻地梁煤礦的5G+智能升級改造中，充分考慮到井下采煤的特殊工況，創(chuàng)新性地研發(fā)了融合5G通信鏈路的CS-RG冗余網(wǎng)絡遠控系統(tǒng)，采煤機專用5G冗余遠控系統(tǒng)如圖16所示。以5G鏈路為主信道的同時，支持礦井原有有線網(wǎng)絡（光纖、電纜）同步連接構(gòu)成互為冗余的煤機設(shè)備實時網(wǎng)絡監(jiān)控信道，大幅提升了基于網(wǎng)絡的采煤機遠程操作控制的可靠性和智能化無人化開采應用的安全性，為實時遠控采煤機生產(chǎn)場景的進一步豐富提供了關(guān)鍵核心技術(shù)支撐。

圖16 采煤機專用5G冗余遠控系統(tǒng)

采煤機 5G+ 互聯(lián)網(wǎng)遠程

通過采煤機5G+互聯(lián)網(wǎng)應用，在遠程可以使用辦公電腦、平板、手機等終端連接訪問井下工作面采煤機，實時查看監(jiān)控采煤機的運行狀態(tài)，實時跟蹤監(jiān)控工作面的生產(chǎn)狀態(tài)，為用戶提供端到端的遠程診斷技術(shù)支持及應用升級。在復雜網(wǎng)絡環(huán)境下，可通過5G網(wǎng)絡支持低時延的遠程監(jiān)視及操作控制。

06 采煤機未來智能化發(fā)展展望

近幾年，《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》《煤礦智能化建設(shè)指南（2021年版）》等政策相繼發(fā)布，成為指導我國煤礦智能化建設(shè)和煤機裝備發(fā)展的方向性文件。明確指出要將人工智能、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、機器人、智能裝備等技術(shù)與現(xiàn)代煤炭開發(fā)利用深度融合，形成全面感知、實時互聯(lián)、分析決策、自主學習、動態(tài)預測、協(xié)同控制的智能系統(tǒng)，提升煤機裝備智能化水平，促進我國煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

煤礦與裝備智能化是煤炭工業(yè)發(fā)展的必由之路，是實現(xiàn)新時期能源格局下煤炭高質(zhì)量發(fā)展目標的核心技術(shù)支撐。在國家的大力推動下，在“雙碳”目標指引和智能制造的大潮流下，煤炭行業(yè)正加速推進智能化建設(shè)，全國各煤炭企業(yè)都加大了對智能化建設(shè)的投入，切實地把智能化技術(shù)真正落實到煤炭生產(chǎn)中。以少人化無人化智能開采為代表的礦井生產(chǎn)重大技術(shù)變革, 是行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重點內(nèi)容與方向, 無論是國家還是行業(yè)都給予了高度重視和大力支持, 進行了大量的理論創(chuàng)新與實踐探索，并不斷向前開拓。采煤機作為直接面向煤炭開采的關(guān)鍵裝備，發(fā)揮著排頭兵的作用。

在采煤機智能化開采方面，國內(nèi)已分別經(jīng)歷了可視化遠程干預和工作面自動找直2個飛躍性階段，目前正處于向大數(shù)據(jù)規(guī)劃截割透明開采轉(zhuǎn)型升級的過程中，最終將推動迎來透明礦井和智能礦山的嶄新局面。 未來，以下述技術(shù)為特征的智能化采煤元素將更深入和廣泛地融合到采煤機應用中。

（1）遠程5G+采煤機運維協(xié)作技術(shù)可實現(xiàn)煤機遠程智能增值服務、用戶精準服務和成本精準控制，提升設(shè)備現(xiàn)場檢修維護能力和售后服務水平，推進“制造+服務”的轉(zhuǎn)型升級。

（2）多信息融合的故障智能診斷技術(shù)可提高故障隱患排除的實時性, 降低操作人員的工作強度，提高生產(chǎn)效率。

（3）大數(shù)據(jù)分析與壽命預測技術(shù)可實現(xiàn)煤機預知維護，科學指導備件庫存管理，提升設(shè)備全壽命性價比，提高煤機運行安全可靠性。

（4）海量數(shù)據(jù)高效管理技術(shù)可為煤機產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化和產(chǎn)品質(zhì)量提升提供數(shù)據(jù)支撐，加快產(chǎn)品問題的追溯與改善。

（5）智能移動端信息共享技術(shù)可實現(xiàn)隨時隨地了解設(shè)備運行狀態(tài)實時數(shù)據(jù)，高效預警信息提示。

未來，上海煤科將在煤機裝備新技術(shù)新方法的融合應用上進一步深入研究和創(chuàng)新實踐，持續(xù)對煤機產(chǎn)品進行技術(shù)研發(fā)與功能提升，推動采煤機智能化應用提高到新水平，以先進的裝備和智能化開采技術(shù)為煤礦企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展助力。