矿鸿操作系统在智能化综采工作面的应用研究_张国恩.pdf

：收稿日期：基金项目：河北省自然科学基金资助项目（）；河北省高等学校科学技术研究项目（）；河北省创新能力提升计划项目（）作者简介：张国恩（），男，山西孝义人，硕士，高级工程师，主要从事采掘技术管理工作，：。通信作者：王毅颖（），男，河北保定人，博士，讲师，研究方向为电力电子变压器，：。引用格式：张国恩，严超超，王毅颖 矿鸿操作系统在智能化综采工作面的应用研究 煤炭工程，（）：矿鸿操作系统在智能化综采工作面的应用研究张国恩，严超超，王毅颖，（国能神东煤炭集团有限责任公司 乌兰木伦煤矿，内蒙古 鄂尔多斯；河北工程大学 机械与装备工程学院，河北 邯郸；河北煤炭生态保护开采产业技术研究院，河北 邯郸）摘 要：为了解决综采工作面中设备种类繁多、设备生产厂商不同导致的设备操作系统与数据协议不统一等诸多问题，以乌兰木伦煤矿 综采面为例，对薄煤层综采面特点、设备布置情况进行分析，并结合煤矿智能化发展的相关指导要求，建立了井下 通信网络，将矿鸿操作系统移植入薄煤层综采面设备。研究表明：该系统将设备之间的数据接口和数据协议标准进行了统一，实现了设备之间的互联、信息的互通，并且作业人员可以通过智能防爆手机实现对设备的掌控。矿鸿操作系统在 薄煤层综采面的成功应用有效的提高了薄煤层的开采率和智能化水平。关键词：矿鸿操作系统；薄煤层；综采工作面；智能化建设 中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，；，）：，：；第卷第期 煤 炭 工 程 ，煤炭作为我国的重要基础能源，为国民经济建设提供了持久的保障。随着人工智能、互联网技术的飞速发展，薄煤层煤矿智能化是煤炭行业迈向高质量发展的必然选择，对于保障煤炭稳定供应具有重要意义，。当前，薄煤层煤矿智能化的发展还在初步阶段，煤矿开采设备种类繁多，每套设备都有自己独立的操作系统、操作系统之间无法互联互通、部分进口设备还存在技术垄断等诸多问题，数据格式和标准没有统一，通讯协议迥异，存在信息壁垒、信息孤岛等问题，系统之间的数据不能共享，为煤矿智能化开采带来了巨大的阻力，以上这些都是煤炭行业智能化发展面临的急需解决的难题。因此，如何有效解决数据不统一、设备无法互联互通等问题，是实现煤矿智能化建设的关键问题之一。华为鸿蒙系统是一款全新的面向全场景的分布式操作系统，创造了一个超级虚拟终端互联的世界，将人、设备、场景有机地联系在一起，实现极速发现、极速连接、硬件互助、资源共享。为了快速推进煤矿智能化的发展，解决信息壁垒、信息孤岛等问题，国家能源集团携手华为正式发布了国内完全自主知识产权的“矿鸿操作系统”，确定将乌兰木伦煤矿作为“矿鸿操作系统示范矿井”进行建设，该系统具有万物互联、自主可控、安全可信的特点，为煤矿智能化发展提供了一条定制的快行线。笔者以乌兰木伦煤 薄煤层综采面为例，通过分析当前设备配套情况以及矿鸿操作系统在综采面的应用，实现薄煤层综采工作面的设备互联互通，提升矿井的综合效益。矿鸿操作系统架构设计在煤矿井下，构建 通信网络，研发矿鸿操作系统将海量的矿井生产数据进行全过程采集、集中智能存储，统一生产数据存储标准，建成煤炭生产大数据湖，既保障了自有数据的绝对安全、稳定，又保障了数据的高效交互与共享，建立多设备、多接口、多参数统一融合的新途径，随着煤矿“采掘机运通”各系统的全面应用，井下传感器、液压支架、煤机等设备将实现网联化。矿鸿操作系统架构设计示意如图 所示。煤矿井下 网络构建 通信网络具有海量连接、低时延、高宽带等图 矿鸿操作系统架构设计示意特性，能够为矿鸿操作系统在井下综采面的应用提供网络支持和保障。此外，通过网络切片技术，将一张物理网络划分成多个专属逻辑网络，实现带宽硬隔离，相互间带宽无影响，可以进一步提升 通信网络的利用率，确保网络的稳定性、低抖动、低时延等特性。通过光纤将 核心网连接至地面机房交换机，连接至井下变电所（基带处理单元），再连接至煤层综采面（集线器单元）。在工作面间隔固定液压支架数量安设一台（微型射频拉远单元），最后将 与 相连接，组建起覆盖整个综采面的 网络，实现整个工作面无线全覆盖。煤矿井下 网络框架如图 所示。图 煤层综采面 网络框架示意 矿鸿操作系统应用在对薄煤层综采面各类设备充分调研的基础上，通过建立统一的标准协议框架，形成物联和数据的传输标准，联合研发设备层轻量级矿鸿操作系统。矿鸿操作系统打破了传统设备与协议的链接鸿沟，运用独特的“软总线”技术，统一各设备之间的数据通信协议标准和接口，解决了不同设备生产厂商设备的协同与互通问题。通过极间协议，将中间的四层协议栈精简为一层，提升有效载荷，有效传输带宽可以提升 左右。通过将矿鸿操作系统移植入综采面设备中，使综采面设备具备了统 年第 期 煤 炭 工 程 生产技术 一构架的操作系统，实现设备间的协同操作和信息互联互通。移动端 设置受井下光照、潮湿等因素的影响，再加上薄煤层综采面作业空间狭小容易造成二维码缺失或损毁，造成“扫一扫”功能在井下使用效果不佳。因此，参照智能手机“碰一碰”功能，基于矿鸿操作系统开 发 移 动 端，运 用（）近场通信技术，在服务器生成映射关系，当智能手机距离设备 内时，智能手机在设定好的信道内自动扫描并识别设备，完成智能手机与设备之间的配网，设备“自动启动”运行，实现获取和修改设备参数的功能。近距离通信技术既能避免配网错误，又能提升配网准确性。视频监控系统设置采用视频拼接技术来实现工作面顶底板、煤帮、刮板机等信息的实时采集功能。在工作面每 台支架安设一台摄像头正对煤壁，每 台支架安设一台广角摄像头正对刮板机，采煤机机身左右各安设一台摄像头正对滚筒，在进风巷胶带上方安设一台摄像头正对破碎机出料口，在回风巷靠近工作面的超前支架安设一台摄像头正对工作面机尾，共部署 台摄像头实现对工作面的实时全覆盖监测和信息采集传输。集中控制室设置对控制台进行改造，将采煤机、支架、刮板机、转载机、破碎机、泵站、摄像头、移变等设备的控制系统集成在控制台处，建立薄煤层综采面集中控制室。集中控制室通过统一的数据协议，实现不同厂商设备的统一管理，允许工作面设备在对时间要求苛刻的环境中交换应用程序信息，在安全可靠的基础上有序控制、配置、收集和传输网络中的海量数据，实现对工作面所有数据集成、存储、分析和设备自动控制的功能，并且能够通过视频系统实时查看工作面状态。矿鸿操作系统应用乌兰木伦煤矿是“矿鸿操作系统示范矿井”，全系统适配矿鸿操作系统，对接厂家 多家，涉及传感器类、控制器类、智能设备、标准类设备、其他设备，共 类若干台套。综采面基本情况乌兰木伦煤矿主采、煤层，综采面位于 煤四盘区，为倾斜长壁综合机械化回采工作面，平均煤厚 ，推进长度，工作面宽度 。北部为未开采区域，南侧紧靠 工作面采空区，西侧靠近 煤四盘三条大巷，东侧距呼氏淖尔壕煤矿井田边界约。综采面采用双滚筒采煤机落煤、装煤，依次由刮板输送机、转载机、带式输送机运煤，双向割煤，沿煤层顶板回采，全部垮落法处理采空区。液压支架选用二柱掩护式液压支架共计 台。薄煤层综采面设备配套情况采煤机型号为，牵引功率，最大牵引速度 ，截割功率 ，装机总功率 ，有效截深 ，滚筒直径 。刮板输送机型号为，电机功率 ，输送量 ，链速 。破碎机型号为，功率 ，破碎能力 。转载机型号为，电机功率，输送量，链速 。液压支架选用 二柱掩护式液压支架 台，机头端头支架选用 二柱掩护式液压支架 台，机尾端头支架选用 二柱掩护式液压支架 台，过渡支架机头机尾选用 二柱掩护式液压支架 台，回风巷超前支架选用 二柱掩护式液压支架 台，共计 台。其他设备配套设备包括型号为 乳化液泵站工作面共设四泵二箱，流量 ，电机功率 。型号为 喷雾泵工作面共设三泵一箱，流量 ，电机功率 。工作面自动化装置控制工作面运输机、转载机和破碎机启动以及泵站控制、支架控制和工作面通讯。综采面设备实现互联互通为满足“无人化”采煤工作面的要求，综采工作面运用“矿鸿操作系统”，对工作面煤机、液压支架、三机、组合开关、移变、集控系统进行全面适配，通过鸿蒙“软总线技术”实现设备间“近场通讯”，改变了传统设备操作时效率低，按键操作繁琐的方式，实现了控制器从“无屏变有屏、小屏变大屏、固定按键操作变手机移动操作”的转变，达到效率和效益的双提升。工作面在现有设备生产技术 煤 炭 工 程 年第 期全适配矿鸿操作系统基础上，升级配置规划开采系统，自动找直系统，视频分析系统，人员安全保障系统，远程控制平台和工作面数字孪生系统相结合的方式，以工作面地质数据为依据，通过规划开采系统与自动找直系统相结合，实现边推进，边规划，边控制，边预测，在设备自动割煤过程中，辅助视频分析，工作面数字孪生具备远程人工干预，达到工作面推进过程中“测得准，看得清，控得住”的“无人化”生产模式。通过搭载具有统一架构的矿鸿操作系统，实现了综采面各设备之间的互联互通，极大地提升了设备之间的协同性，为矿井智能化建设奠定了坚实的基础。以液压支架为例，搭载矿鸿操作系统后，基于统一的操作系统和通讯协议，能够更好的与采煤机实时动态互联，随着采煤机移动速度的变化实时调整自动拉架、推溜等动作的速度大小，解决了自动化采煤丢架、漏架导致自动化中断的问题，极大提高了设备间的匹配性和工作效率。工作面液压支架矿鸿操作系统及手机端操作界面如图 所示。图 工作面液压支架矿鸿操作系统及手机端示意 远程集中控制设备作业人员可以在集中控制室内完成远程供液、远程停送电、远程操作支架、远程操作采煤机和三机等作业，并且能够通过全覆盖视频系统实时查看工作面的状态，实现生产态工作面无人化、少人化作业。同时，从源头上避免作业人员与综采面高浓度粉尘、高噪声等职业病危害因素的接触，降低职业病发病率，保护员工的身体健康。基于鸿蒙操作系统的远程集中监控如图 所示。移动端随时“掌控”设备采用矿鸿操作系统独特的软总线和 技术，在提升通信安全的前提下，实现由设备“扫一扫”到“碰一碰”、由只读设备参数到读取、修改设备参数和操作设备的转变，这一系列的转变实现了人图 矿鸿操作系统集中监控机实时互动，设备的“无屏”变“有屏”、“固定屏”变“移动屏”，突破了设备存储空间的限制。作业人员可以通过手机端 实现操作支架、查看工作面视频系统、随时读取和修改设备参数、控制开关分合闸、远程开关漏电实验、液压支架人员接近闭锁等诸多操作，不用四处移动、频繁按动各类机械按钮，实时获取设备运行状态及故障日志分析，极大提高了工作效率和安全系数。应用效果“矿鸿”操作系统成功应用于乌兰木伦矿及 综采面，现有设备升级为矿鸿系统以后，统一数据标准，打破信息孤岛为井下各生产系统互联，提供统一的语言，构建煤矿工业互联网底座，通过人机互联，机机互联，万物感知，通过碰一碰，可获取和修改设备参数，极大方便井下设备配置方式，支持井下无人化巡检，构建了基于矿鸿系统的综采工作面案矿鸿 标准系统，有效的提高了智能化水平，自动化率达到 以上，目前采煤工作面由原来 人减至 人，工效每工每班由 提高到，工作效率提高了约 倍。结 语对现有设备配套情况分析的基础上，通过矿鸿操作系统的适配，统一各设备数据协议标准和端口，建成了具有统一构架的设备层操作平台，实现了薄煤层综采面各设备之间的互联互通和协同操作。全面推进矿鸿操作系统示范矿井建设，矿鸿操作系统在 薄煤层综采面的成功应用，实现了智能化采煤，减轻员工劳动强度，为矿鸿系统的推广应用奠定了良好的基础，为薄煤层综采面智能化提供了参考。参考文献：侯刚，王国法，张建安，等 坚硬薄煤层智能化开 年第 期 煤 炭 工 程 生产技术 采关键技术及装备 以陕北侏罗纪煤田为例 煤炭科学技术，（）：李 刚 薄煤层工作面智能化成套装备关键技术研究 矿山机械，（）：赵可平 薄煤层综采自动化关键技术及应用研究 矿业装备，（）：王 强 薄煤层综采工作面智能巡检系统设计 煤炭技术，（）：袁 永，屠世浩，陈忠顺，等 薄煤层智能开采技术研究现状与进展 煤炭科学技术，（）：黄超慧 薄煤层智能化工作面的建设及技术创新 中国煤炭工业，（）：王国法 煤矿智能化最新技术进展与问题探讨 煤炭科学技术，（）：苑林龙 薄煤层综