1 天地科技上海分公司采煤机智能化技术现状

1.1 天地科技上海分公司简介

天地科技股份有限公司上海分公司(以下简称“上海分公司”)是中国煤炭科工集团有限公司控股上市公司天地科技股份有限公司在上海市设立的科技型企业，上海分公司作为原国家采煤机械专业技术归口单位和现国家煤矿专用设备标准化委员会采煤机分会主持单位，是目前国内首家拥有自主知识产权采煤机产品最齐全、功率覆盖面最大、适应开采高度和煤层倾角范围最广、主要性能指标和技术参数最先进、自动化程度最高的采掘技术装备服务商。

作为我国煤矿综采设备国产化、自动化和智能化的领军者，上海分公司取得的关键技术成果已接近或超越了国际先进水平，创造了多项第一：第一家研制开发了液压牵引和交流变频电牵引二大系列采煤机；第一家研制出多电机驱动横向布置采煤机；第一家研制出交流变频调速电牵引采煤机；第一家研制出适合大倾角工作面使用的四象限运行交流变频调速电牵引采煤机；第一家研制出双电机驱动截割部的大功率薄煤层采煤机；第一家研制出用于急倾斜厚煤层水平分层和三下采煤的短壁采煤机；第一家研制出厚煤层大功率电牵引采煤机；第一家研制出采用分布架构嵌入式DSP控制系统的采煤机；第一家研制出用于少人或无人工作面使用的自动化采煤机。

上海分公司已开发形成了采煤机和掘进机两大类产品。采煤机有23大系列70余种型号产品，能满足现阶段所有机械化采煤工作面的需要；掘进机有6大系列悬臂式掘进机，能满足各类巷道的掘进需要。

近年来，上海分公司销售总额及市场占有率一直稳居同行业榜首，公司已生产1000多台(套)、各型号采煤机和掘进机，在国内近362家煤炭生产企业使用，覆盖18个国内主要产煤省份以及俄罗斯、乌克兰、土耳其等海外市场。为更好地服务客户，上海分公司采取销售、服务、仓储、技术前移政策，跨前一步、主动对接客户的难点、痛点，及时提供技术、服务解决方案。

目前，上海分公司通过筹资自建和控股改制，逐步改变初期“两头在外、中间在内”的产业模式，已形成天地上海采掘装备科技有限公司和常熟天地煤机装备有限公司两大产业基地，规模不断扩大，装备了先进的加工设备和检测设备，具备年产300套优质整机产品和相当于150套整机的配件生产能力。

1.2 技术发展历程

上海分公司自成立以来，在技术上不断寻求突破，经历了单电机纵向、液压无链牵引采煤机，多电机横向布置、交流变频电牵引采煤机，大功率、大采高及其他难采煤层四象限交流变频调速采煤机，高可靠性、高自动化无人工作面采煤机的技术发展历程，见图1。

1.3 技术成果

上海分公司先后取得上百项科研成果，承担和参与了国家“十一五”、“十二五”、中煤科工集团及天地总公司等科研项目；获得国家科技进步奖、中国煤炭工业协会科学技术进步奖等省部级以上奖项31项，并荣获上海市优秀产品二等奖、上海市高新技术产品等称号；近10年来共计发表各类学术论文200余篇，获得专利授权162项，其中发明专利9项。

1.4 采煤机控制系统

1.4.1 电控系统发展历程

2004年首次开发应用采煤机DSP电控系统，2009年推出第二代DSP电控系统。2010-2011年，在晋城古书院矿开展首个全国产化设备自动化工面探索实践，实现了基于表格参数化的采煤工艺过程记忆和自动化基本功能，成功实现了基于以太网及专用FSK调制通讯的采煤机平巷及地面远程操作控制功能。2012-2013年，陆续在永城、平顶山、兖州等矿区开展了采煤自动化的实践；2013-2015年，在煤岩自动识别、摇臂在线故障诊断、采煤机机载视频、机载两芯以太网络等技术方面不断进行研究和探索，取得了一些初步成果；2015年正式将LASC技术引进中国，开始在转龙湾矿进行适应性验证项目，2017年初完成国内首个LASC自动化工作面项目，期间完成了基于自由曲线模式的采煤机全工艺过程记忆截割自动化功能的验证；当年完成了CSIRO对天地科技股份有限公司的LASC技术授权以及对上海分公司的硬件制造授权；2018年开发煤机用两芯千兆以太网通讯产品样机；2017-2018年，上海分公司采煤机自动化销售推广开始爆发式增长，截至目前已经销售16套LASC系统。

1.4.2 二代DSP电控系统

二代DSP电控系统原理框图如图2所示。在图2中，红色是巷道顺槽控制系统配置，黑色是采煤机机载电控模块配置，多个功能模块分布式布置，相互间通过CAN总线通讯网络互联。这种嵌入式系统的分布式网络结构，扩展能力很强，功能模块根据工况需要有多种组合方式。

二代DSP电控系统基于CAN总线及分布式工业以太网等技术，目前已经稳定运行10多年，技术上成熟稳定，操作简单实用。目前该系统累计装机数已经超过600台，经多年应用实践表明，该系统在控制性能、稳定性与可靠性等方面均优于基于PLC的采煤机控制系统。

在系统硬件方面，运算指令能力达到4.4亿次/s，控制程序扫描时间小于10 ms，可对采煤机中的上百种状态参数和信号进行检测、控制与保护，支持常见系统故障的诊断，实现智能化在线诊断。通过传感系统在线监测采煤机关键部件的实时运行状态及故障信息，在出现严重故障时，对采煤机进行保护，避免损坏采煤机相关部件，对一些非关键故障实行自动屏蔽与降级运行，通过数据传输系统可以将状态和故障信息实时传输到监控远端。

1.5 采煤机自动化智能化技术

1.5.1 机身传感技术

(1)滚筒截割高度。安装旋转角度传感器，通过精密伺服旋转电位器测量摇臂相对于机身的摆动角度，然后根据机器几何尺寸参数，计算当前截割高度。

(2)位置检测与牵引速度。安装旋转编码器，通过检测牵引行走轮的转动圈数与角度，定时采样计算出机器牵引行走的距离与速度。

(3)机身倾角检测。安装两维倾斜传感器，集成到位于电控箱内的模拟量混合输入模块内部，出厂前相关传感器经过适当的校准后，可直接检测到机身倾角情况，如图3所示。

1.5.2 机载视频技术

采煤机安装了机载超低照度高解析度摄像头，并配合有LED灯辅助照明。通过采煤机专用视频监控技术，可在巷道计算机或其他网络终端上实时监测工作面状态，并具有远程在线操控采煤机功能。

1.5.3 巷道通信技术

采煤机至顺槽巷道的通讯标准配置为FSK载波通讯，通过主电缆控制线的频分复用，稳定传输距离可达500 m以上，指令传输延迟11 ms，延时抖动小于1 ms，且支持EIP、工业以太网TCP/IP、485、CAN等通讯协议。

巷道通讯可选配采煤机采用动力电缆与光纤传输混合通讯传输方式，传输距离达到2500 m以上。

采煤机支持工作面4G通讯功能，可支持WCDMA/EVDO/TD-SCDMA/FDD-LTE/TD-LTE网络，传输速度最大可达300 Mbps。

1.5.4 智能记忆截割技术

上海分公司智能记忆截割系统由截割控制模块、自动截割软件包、传感检测模块、配套传感器(左、右滚筒截割高度传感器、采煤机牵引速度与工作面位置传感器、机身倾斜传感器和位置同步传感器)等几部分组成，见图4。采用自由曲线记忆截割方式，带端头工艺支持，满足复杂的截割条件，可完全按照实际学习的采煤工艺实现两端头复杂的斜切、割三角煤、扫底等自动截割运行。

上海分公司智能记忆截割系统最多可以支持31个截割工艺段的记忆截割控制和各种复杂工作面的端头截割工艺，实现了采煤机循环作业全过程自动化截割，支持远程记忆截割学习，使学习过程简单化，见图4。自动运行的采煤机在300 m长的工作面上，其行走位置控制精度优于±5 cm，滚筒截割高度的稳态重复误差小于±4 cm。

1.6 互联网技术

1.6.1 技术简介

上海分公司采煤机互联网应用是由工作面采煤机主机网络、采煤机到工作面平巷通信网络、矿井光纤环网、远程互联网和网络应用组成的一体化监控服务体系。互联网应用实现了采煤机产品多项创新，如图5所示。

1.6.2 远程监控与服务

通过互联网技术的应用，可远程使用办公电脑、平板、手机等终端连接访问井下工作面采煤机，实时查看监控采煤机运行状态，并实时跟踪监控工作面生产状态。

通过互联网技术的应用，可以远程可视化监控诊断采煤机状态，查询分析采煤机主控系统、记忆截割系统的运行数据，为用户提供端到端的远程诊断技术；同时定期检查采煤机整体工作状态，及时为客户提供维护信息，如图6所示。

通过互联网技术的应用，可远程访问采煤机系统模块参数，根据井下运行需求灵活配置与优化采煤机参数。

通过采煤机互联网应用，在远程查看采煤机主控系统模块接口状态，根据井下应用需求实时更新采煤机模块固件，充分适应用户对煤机应用的高端要求和复杂工艺。

2 LASC技术

2.1 技术简介

澳大利亚联邦科学院(CSIRO)的LASC系统，是一套基于高精度惯性定位传感器的先进控制系统，可实时监测采煤机三维姿态，实现工作面自动调直、开采水平控制、远程监控等功能。天地科技股份有限公司与CSIRO建立技术合作关系，上海分公司采煤机电控系统可通过软件直接集成实现了嵌入式EIP通讯协议，实现了与LASC系统间的无缝连接。该电控系统已通过兼容性测试，在支持EIP控制通讯标准接口方面，具有国内其他厂商难以匹敌的优势。

2.2 应用情况

LASC系统通过协议适配模块将数据传到交换机，同时大量的采煤机传感数据也是通过协议适配模块，集中通过交换机，然后通过不同的通讯方式，传输到控制台上位机。数据处理之后，进行反馈，形成闭环系统，如图7所示。

2016年，与CSIRO合作的LASC项目在兖州煤业转龙湾矿开始工业性实验，实现了首次在国产采煤机上实现高精度的三维空间定位和运行轨迹的检测。在实际工况条件下，达到300 m长工作面小于10 cm的定位测量精度，实现轨迹检测对工作面液压支架和刮板运输机自动对齐找直的应用支持。上海分公司采煤机智能化应用情况汇总见表1。

3 技术展望

3.1 上海分公司在研技术

目前采煤机因煤岩界面自动识别技术没有明显的突破，仍不能实现智能自适应截割。随着技术的发展，笔者认为，未来采煤机将是配备高可靠性的视觉、触觉等感官系统，能自动识别周围的环境状况，并预知自身元部件运行状态；可以与工作面其他设备进行实时相互通讯，并通过发达的大脑(智能控制系统)处理这些信息，制定并可实时调整控制策略的采煤机器人，如图8所示。

(1)听觉。新研制的振动与噪声检测分析装置，可用于机械传动系统的故障监测，以及煤岩截割振动与噪声特性在线分析，为实现采煤机的机器听觉能力，也为摇臂及关键机械传动系统故障的早期预判奠定了坚实基础。

(2)视觉。随着工作面及采煤机机载视频技术的发展，相关技术的矿用化应用可望成为采煤机智能化技术新的发展方向。

(3)非常规视觉与触觉。在运行过程中，采煤机截割滚筒、机身顶部可能会与异常动作状态的工作面其他设备产生碰撞，造成设备损坏及安全事故。自动判断采煤机运行空间是否有阻挡物及干涉情况，也是采煤机智能化运行的一个关键点。需要发展适应性好的干涉探测雷达、接触与碰撞检测传感系统。

(4)内部感知。通过传感检测系统，采煤机将可以对自身工作部件状态进行感知，并对工作能力、寿命进行评估，实现预测维护。提示操作人员进行日常维护。当部件性能出现异常温升等状态时，进行故障预诊断保护，提示操作人员维护。

3.2 技术展望

采煤机运行自动化与智能化是煤炭自动化、智能化开采的核心，加快其关键技术的研发，是早日实现煤炭智能化高效开采的必然要求。近年来，在国内外煤机生产厂家、研究机构的不懈努力推动下，采煤机已经在自动化方面取得阶段性成果，但一些关键技术仍然不够成熟，适用性和可靠性尚不能满足安全高效生产的要求。至少还需要在以下几个方面对采煤机自动化、智能化技术加强研究。

(1)智能感知传感器技术。加快采煤机机器视觉系统的研究，早日实现可见光、热红外、雷达成像技术和多维立体视觉测量技术在采煤机上的实用化，推动在线煤岩界面自动识别的技术的进步。

(2)智能控制软件。智能化控制是多维度感知与决策的综合，涉及大量子状态、子过程之间交互作用，各系统间紧密耦合，需要研究采用新架构、新算法、新技术保证各控制的精准高效，并不断丰富控制功能，提升系统稳定性、扩展性和易用性。

(3)采煤机网络数据库技术的研究。包括采煤机与顺槽设备间的高可靠、高带宽通讯技术的研究，机内智能节点便捷可靠地实现物联网接入技术研究，发展基于网络的远程故障诊断、运行优化分析技术。包括可用于采煤机的云端数据库、计算平台的研究。

(4)控制安全技术。复杂智能控制软件可能存在的潜在不确定性导致工作异常设备失控情况，在智能控制领域并不少见。通过网络的远程访问和操作控制采煤机，所面临的安全风险，亟需研究相关控制网络安全技术。

4 结语

煤炭的绿色安全高效利用是煤炭行业的发展方向和大势所趋。天地科技上海分公司肩负着“让煤炭生产更安全、更高效、更清洁”的使命，秉承“成就客户、合作共赢”的核心价值观，努力弘扬“创新、诚信、坚韧、合作”的企业精神，怀着“引领中国煤机、塑造世界品牌”的愿景，积极投身于智慧矿山建设和采煤机智能化发展研发。

本文通过介绍天地科技上海分公司采煤机智能化技术现状和实践应用情况，以及深入分析LASC技术的优势和技术研发展望，目的是推动智慧矿山建设和煤炭行业科技进步。

参考文献：

[1] 符如康，张长友，张豪. 煤矿综采综掘设备智能感知与控制技术研究及展望[J]. 煤炭科学技术，2017(9)

[2] 刘宏睿，贺新星. 适合短壁工作面采煤工艺的采煤机自动截割功能设计[J]. 煤矿机械，2015(11)

[3] 赵节霞，邹毅. 三维可视化技术在数字矿山中的应用[A]. 低碳智能 持续创新——煤矿机电一体化新技术2014年学术年会论文集[C]. 2014

[4] 宋兆贵. LASC技术在煤矿综采工作面自动化开采中的应用[J]. 神华科技，2018(10)

[5] 王静. 关于煤矿智慧矿山网络系统的探讨[J]. 现代工业经济和信息化，2018(16)

[6] 汤海龙. 智慧矿山信息系统通用技术规范解读及关键技术探讨[J]. 煤炭科学技术，2018(S2)

Present situation and prospect of intelligent shearer technology of Shanghai Branch Company of Tiandi Co., Ltd.

Liu Zhenjian1,2, Qiu Jinbo1,2, Zhuang Deyu1,2

(1. China Coal Technology & Engineering Group Shanghai Co., Ltd., Xuhui, Shanghai 200030, China; 2.Shanghai Branch Company of Tiandi Co., Ltd., Xuhui, Shanghai 200030, China)

Abstract The development process and achievements of intelligent shearer technology in Shanghai Branch Company of Tiandi Co., Ltd. were expounded, especially explaining the technical characteristics of shearer control system in the aspects of airborne electronic control system, remote monitoring, fuselage sensing, airborne video, roadway telecommunication, intelligent memory cutting and Internet technology. The advantages and practical application of LASC were introduced. The key points and difficulties and technical breakthroughs of future development direction of intelligent shearer technology were deeply analyzed.

Key words shearer, intelligentization, intelligent mines, LASC technology

中图分类号 TD421

文献标识码 A

引用格式：刘振坚，邱锦波，庄德玉. 天地科技上海分公司采煤机智能化技术现状与展望[J]. 中国煤炭，2019，45(7)：33-39，87.

Liu Zhenjian, Qiu Jinbo, Zhuang Deyu. Present situation and prospect of intelligent shearer technology of Shanghai Branch Company of Tiandi Co., Ltd.[J]. China Coal，2019，45(7)：33-39，87.

作者简介：刘振坚(1964-)，1985年毕业于淮南矿业学院电气自动化系，现任中煤科工集团上海有限公司总经理。

(责任编辑 陶 赛)