[0001] 本发明属于煤矿开采领域，具体是基于厚煤层大采高智能化控制系统。

[0002] 煤矿开采中，厚煤层(厚度≥3.5m)的矿井产量和储量占据了较大的份额，是高产高效开采的主力煤层，具有资源储量优势。随着厚煤层开采的发展，放顶煤开采和大采高开采技术得到了快速发展和广泛应用。

[0003] 当前，安全、智能、绿色和高效是我国煤矿发展的大趋势；实现煤炭少人乃至无人自动化开采，是世界煤炭开采行业共同的目标，也是当前各煤炭大国研究的主要方向和难点；厚煤层自动化开采一直是世界各国大力研究的课题。德国MARCO公司研发的综采自动化集控系统可以实现对“运输三机”、采煤机、皮带机、乳化液泵站、负荷中心的集中控制与实时监控。尽管国外的综采设备自动化研究己经很成熟，但是矿井仍未实现综采工作面无人化运行，大多数矿井未能做到全面自动化采煤，一般仅建立个别自动化程度高的示范采区。

[0004] 目前，国内外对于智慧矿山的探索仍处于初级阶段，厚煤层工作面生产过程仍是人为主导，期间反复进行人工判断在一定程度上阻碍了生产过程的连续性，制约了生产效率，且装备的生产能力未能得到充分的发挥；因此，有必要提出一种基于厚煤层大采高智能化控制系统。

[0034] 下面通过具体实施方式进一步详细说明：

[0035] 实施例基本如附图1‑10所示：

[0036] 基于厚煤层大采高智能化控制系统，包括电控模块、压力检测模块、跟机移架模块、采煤机机载控制模块、可视化远程协同模块、地面监控主机、井下顺槽集控中心主机、采煤机、皮带、转载机、破碎机、刮板输送机和若干液压支架；

[0037] 电控模块用于实现工作面电控常态化需求；

[0038] 压力检测模块用于对液压支架的工况压力进行实时监测；

[0039] 跟机移架模块用于实时采集支架倾角、俯仰采支架姿态和支架支护高度数据，在支架立柱降柱卸压和升柱初撑阶段，平衡千斤顶根据支架顶梁的俯仰角度实时调整伸收状态，使支架顶梁的角度始终处于设定的范围内；

[0040] 采煤机机载控制模块用于对采煤机的工况进行监测和定姿定位；

[0041] 可视化远程协同模块用于对工作面综采设备视频监控和工作面视频辅助自动化跟机。

[0042] 电控模块包括第一控制器，第一控制器内置有无线通信模块，无线通信模块包括若干无线传感器，无线传感器安装在液压支架和采煤机上；无线通信模块用于维持正常的无线通信，结合定位距离、功耗和无线通信的要求，实现无线遥控、人员定位和无线通信。

[0043] 采用CAN作为液压支架电控模块的总线通信技术。

[0044] 压力检测模块包括压力传感器；压力传感器将采集到的工作面压力模拟成电流变化，经第一控制器转化为压力信号，通过CAN总线通信技术与井下顺槽集控中心主机进行直接通讯，井下顺槽集控中心主机将初步处理后的数据存储至本地数据库，同时通过光纤环网将井下采集的实时数据传输至地面监控主机。

[0045] 跟机移架模块包括若干倾角传感器；第一控制器根据倾角传感器反馈角度计算出液压支架的高度，当支撑高度超过允许的最大支撑高度时，第一控制器会进行自动调整，同时千斤顶根据液压支架底座的横滚角实时调整伸收状态，防止处于倾斜状态的液压支架在移架过程中发生咬架；每隔8架液压支架安装一组倾角传感器；其中，一组包括3个倾角传感器。

[0046] 采煤机机载控制模块包括第二控制器和若干红外传感器，红外传感器用于实时采集采煤机左右摇臂高度、采煤机行走位置和机身倾斜度工况信息。

[0047] 通过记忆截割技术实现智能化工作面采煤机的自适应循环作业。

[0048] 可视化远程协同模块包括若干枪机摄像头和球机摄像头，其中，每隔6架液压支架安装一台枪机摄像头，每隔23架液压支架安装一台球机摄像头。

[0049] 具体实施过程如下：

[0050] 在改善支护效果和提高工作面自动化程度等方面，工作面液压支架电液控制具有手动液压控制支架无法比拟的优点；因此，本实施例通过电控模块实现工作面电控常态化的需求。

[0051] 本实施例的液压支架选用ZY9000/27/60型掩护式液压支架；第一控制器选用ZDYZ‑Z(A)型控制器，保留红外传感器、压力传感器、位移传感器和倾角传感器等基础传感器采集接口，另预留一路传感器总线接口，用于扩展传感器采集装置；由于煤矿综采自动化工作面监测与控制数据传输速度理论峰值在10K/s，本实施例选取CAN作为液压支架电控模块的总线通信技术。

[0052] 第一控制器内置有无线通信模块，无线通信模块包括若干无线传感器，无线传感器安装在液压支架和采煤机上；无线通信模块用于维持正常的无线通信，结合定位距离、功耗和无线通信的要求，采用Zigbee无线通信技术，实现无线遥控、人员定位和无线通信；电控模块采用控制器与驱动器分离的设计，如图1所示。

[0053] 针对工作面液压支架压力监测数据采集传输无法满足实时性要求，本实施例通过压力检测模块动态监测，对液压支架的工况压力进行实时监测。

[0054] 每架液压支架上安装一个第一控制器和至少3个传感器，包括压力传感器，位移传感器与红外传感器等，另每隔8液压支架安装一组3个倾角传感器，如图2所示；压力传感器将采集到的工作面压力模拟成电流变化，经第一控制器中A/D转换器转化为压力信号；通过CAN总线通信技术与井下顺槽集控中心主机进行直接通讯，井下顺槽集控中心主机将初步处理后的数据存储至本地数据库，同时通过光纤环网将井下采集的实时数据传输至地面监控主机，如图3所示；通过井下应用，压力检测模块实现了对液压支架工况压力的实时监测。

[0055] 以往工作面液压支架跟机移架自动化控制往往依赖单一的时间参数，存在咬架丢架、立柱支撑力不足等问题，影响跟机自动化应用；因此，本实施例通过跟机移架模块实时采集支架倾角、俯仰采支架姿态和支架支护高度数据。

[0056] 在液压支架自动移架时引入姿态控制，设计每隔8架液压支架安装一组3个倾角传感器，实时采集支架倾角、俯仰采支架姿态以及支架支护高度等数据；在支架立柱降柱卸压和升柱初撑阶段，平衡千斤顶根据支架顶梁的俯仰角度实时调整伸收状态，使支架顶梁的角度始终处于设定的范围内；第一控制器根据倾角传感器反馈角度计算出液压支架的高度，当支撑高度超过允许的最大支撑高度时，第一控制器会进行自动调整，同时千斤顶根据液压支架底座的横滚角实时调整伸收状态，防止处于倾斜状态的液压支架在移架过程中发生咬架；姿态监控参数如表1所示：

[0057] 表1大采高液压支架姿态监控表

[0058]

[0059] 跟机移架模块保证了单架自动降‑移‑升时间在10s内，3架液压支架同时移架总时间在27s内，满足了液压支架跟机自动化控制，实现了对液压支架的闭路控制。

[0060] 目前国内采煤机控制主要停留在人工现场操作阶段，由于现场环境复杂多变，操作人员很难及时准确判断采煤机的工作状态，为实现对采煤机的工况监测与定姿定位，通过采煤机机载控制模块对采煤机的工况监测与定姿定位。

[0061] 本实施例的第二控制器采用TMS320系列高性能DSP控制器；该系列DSP控制器CPU采用超级哈佛结构，集成了高级事件管理器、高速多通道模数转换器、CAN总线控制器、SPI总线和SCI通信接口多个模块，各模块硬件采用可编程逻辑器件CPLD，利用高度灵活的可编程器件简化电路设计，将控制逻辑以硬件电路的形式在CPLD中实现；其中，红外传感器安装在采煤机上，实时采集采煤机左右摇臂高度、采煤机行走位置和机身倾斜度工况信息。

[0062] 在现有采煤机必备电缆的基础上，增加2芯的总线通信电缆，将两条完全独立的CAN线通道作为重要模块之间的控制通信网，实现了与顺槽集控中心甚至地面调度中心的直接通讯；现有采煤机的型号为MG750/1915‑GWD。通过记忆截割技术实现智能化工作面采煤机的自适应循环作业方法如下：

[0063] “记忆截割”技术来源自机器人控制方面的“示教跟踪”策略，目前大采高工作面的采煤机机载控制系统的采样频率已高达亿万级，庞大的数据无法完整记录分析。

[0064] 针对上述问题，将采煤机截割路径记忆点分为常规记忆点与关键记忆点；设置常规记忆点采集间距为1m，整个综采工作面共设置248个记忆点，以记录采煤机整个工作过程中的设备状态；当采煤机接收来自外部的控制命令而改变自身工作状态与姿态时，将该点设置为关键记忆点。采煤机操作人员控制采煤机根据煤层变化调节滚筒高度，并结合液压支架移架速度及刮板机负载能力调整采煤机牵引速度，完成一个割煤循环。在此过程中，第二控制器将记录采煤机行程位置、牵引速度、姿态角度与滚筒高度等工况信息，并对监测数据进行整理分析并压缩存储。为更好地执行记忆截割，采煤机机载控制模块预留14个工艺段，如图4所示，采煤机机载控制模块默认采煤机记忆学习为第一个工艺段，当司机改变采煤机牵引方向，采煤机机载控制模块会增加一个工艺段(工艺段序号自动+1)，当完成一个割煤循环，并自动结束记忆学习，以自由曲线的模式将采煤机截割循环作业工艺过程完成地记忆下来，并在自动模式下复刻截割过程。

[0065] 为实现工作面主要设备视频监控以及工作面视频辅助自动化跟机的目的，通过可视化远程协同模块用于对工作面综采设备视频监控和工作面视频辅助自动化跟机。

[0066] 如图6所示，每隔6架液压支架安装一台枪机摄像头，139台支架共需安装23个枪机摄像头，实现了在高粉尘、高水雾和光线差的情况下面向煤壁监控采煤机前后滚筒截割状态、支架护帮伸收及煤壁状态。同时，为了实现工作面远景监测，每隔23架液压支架安装一台球机摄像头，以充分监测采煤机实时工况和工作面直线度。

[0067] 通过对电控模块、压力检测模块、跟机移架模块、采煤机机载控制模块、地面监控主机、井下顺槽集控中心主机、采煤机、皮带、转载机、破碎机、刮板输送机和若干液压支架进行集中监控，将各子模块进行融合，并搭配工作面可视化远程协同模块，实现全工作面的综采设备在顺槽集控中心与地面调度中心一键启停操控；如图7所示，建立了“可视化远程协同控制”的智能化生产模式。

[0068] 智能化工作面云平台设计是面向全国区域的综采自动化工作面，其整体框架部署构成如图8所示；在现有工业以太网的基础上，利用云计算、物联网、移动互联技术，将自动化工作面支架、采煤机、刮板运输机、转载、破碎、皮带和泵站设备工况信息、生产过程信息、环境信息等生产现场动态实时发布到云端、PC端、移动终端及智能电视，对煤炭企业管理人员随时随地了解自动化工作面现场动态及设备厂家远程故障诊断与分析有着积极的意义。

[0069] 基于厚煤层大采高智能化控制系统用于实现在工作面顺槽的监控中心对综采设备进行统一自动化控制，并通过井下环网与地面调度中心通讯，做到地面对综采工作面的远程监控。智能化工作面基于智能化开采集控配套设计理念，建立了由智能化工作面、井下顺槽监控中心与地面调度中心构成的三级控制框架，从而确保各设备协调、连续、高效、安全运行，如图5所示，达到了智能化工作面减员增效的目的。

[0070] 自2017年11月以来，厚煤层大采高智能化综采工作面关键技术在枣矿集团付村煤矿工作面进行实施应用，如图9和图10所示，该工作面创新性使用“二八”制劳动组织模式，取消了夜班生产，工作面生产班人员数量由的12人减少为5人巡视检查，减员率达50％以上。日采煤6000t，技术应用效果显著，实现了6米厚煤层综采工作面复杂条件下的自动化、少人化的常态开采目标。

[0071] 以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。