《工礦自動化》發(fā)表科達(dá)自控董事長付國軍論文《自動化綜采工作面已漸入實(shí)用化階段、應(yīng)防止概念過分炒作》，原文如下：

自動化綜采工作面已漸入實(shí)用化階段、應(yīng)防止概念過分炒作

    摘要：介紹了國內(nèi)自動化綜采工作面的技術(shù)現(xiàn)狀，并將綜采工作面的設(shè)備分為生產(chǎn)設(shè)備、輔助設(shè)備、測控系統(tǒng)；針對目前業(yè)內(nèi)工作面名稱混亂的情況，認(rèn)為“自動化綜采工作面”的命名比較恰當(dāng)；提出了自動化綜采工作面技術(shù)可劃分為綜采工作面局部自動化、綜采工作面半自動化、綜采工作面全自動化、綜采工作面智能自動化4個等級并給出了具體特征；介紹了自動化綜采工作面的發(fā)展，指出把自動化綜采工作面看成是一個可以自動行走、自動割煤、自動支護(hù)、自動裝煤、自動運(yùn)煤的一臺大型機(jī)器，更符合實(shí)用要求。
關(guān)鍵詞：自動化綜采工作面；無人工作面；綜采設(shè)備；智能化

FU Guojun
(Shanxi Keda Automatic Control Co., Ltd., Taiyuan 030006, China)
    Abstract: Technology status of automatic fully- mechanized coal mining facein China was introduced, and fully-mechanized coal mining equipments were classified into production equipment, auxiliary equipment and measure and control system. In view of current condition of confused name of coal mining face in the industry, name of “automatic fully-mechanized coal mining face” was considered more appropriate. Technology of the automatic fully-mechanized coal mining face could be divided into four grades, namely local automatic fully-mechanized coal mining face, semi-automatic fully-mechanized coal mining face, complete automatic fully-mechanized coal mining face and intelligent automatic fully-mechanized coal mining face, whose specific characteristics were given. Development approach of the automatic fully-mechanized coal mining face was introduced, and a view was pointed out that the automatic fully-mechanized coal mining face considered as a large machine which can automatically work, automatic cutting coal,  supporting, coaling, transporting coal meet practical requirements.
Key words: automati fully -mechanized coal mining face; manless workingunmanned coal mining face; fully-mechanized coal mining equipment; intelligent
0  引言
    目前，中國煤炭裝備水平已接近或達(dá)到了世界先進(jìn)水平。以采掘裝備為例，經(jīng)過“十五”計劃和“十一五”計劃的長足發(fā)展，國產(chǎn)設(shè)備市場占有率已遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于進(jìn)口品牌。國產(chǎn)采掘裝備不論從裝機(jī)容量到一次開采高度、再到機(jī)器的外觀設(shè)計已與國外產(chǎn)品相差無幾，甚至有的做到了世界最大。然而，設(shè)備的內(nèi)在性能和整機(jī)的自動化水平卻與國外產(chǎn)品仍有差距。采掘工作面自動化是煤炭生產(chǎn)環(huán)節(jié)的重中之重，因其難度極大，發(fā)達(dá)國家也沒有很成熟的技術(shù)和應(yīng)用案例。由于綜采是我中國煤礦最主要的采煤工藝，近幾年國內(nèi)有很多科研院所和自動化公司開展了有關(guān)綜采工作面的無人化和少人化（自動化綜采工作面）研究。自動化綜采工作面研究的關(guān)鍵是從采煤工藝的角度來主導(dǎo)綜采工作面設(shè)備的自動運(yùn)行及配合，即從綜采系統(tǒng)的整體角度來思考自動化采煤問題。

1  自動化綜采工作面的現(xiàn)狀
    綜采工作面是煤礦生產(chǎn)最前沿的工作環(huán)節(jié)，也是最復(fù)雜的工作環(huán)節(jié)。其設(shè)備數(shù)量多，設(shè)備之間相互制約、相互協(xié)調(diào)，任何單一設(shè)備都無法脫離其他設(shè)備而單獨(dú)完成任務(wù)。同時這些設(shè)備的任何一個動作還受地質(zhì)條件的限制。一個標(biāo)準(zhǔn)的綜采工作面一般要由200～300臺設(shè)備構(gòu)成，核心設(shè)備有采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)和帶式輸送機(jī)，其中僅液壓支架就多達(dá)100～200架，實(shí)現(xiàn)自動化的難度很大。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展及采煤工藝研究的不斷深入，在地質(zhì)條件允許的情況下實(shí)現(xiàn)自動化采煤逐漸具備了可行性。2009年3月，神東煤炭集團(tuán)榆家梁煤礦全國首個自動化綜采工作面井下試車[1]。2010年，晉城煤業(yè)集團(tuán)古書院煤礦首個自動化綜采工作面開始下井調(diào)試，并先后完成了4個工作面的運(yùn)行，總結(jié)了豐富的經(jīng)驗(yàn),，其改進(jìn)后的第2個自動化綜采工作面系統(tǒng)也已開始下井試運(yùn)行。陽泉蔭營煤礦的薄煤層自動化綜采工作面也完成了極薄煤層段的采煤工作。此外，大采高自動化綜采工作面也于2013年6月通過地面驗(yàn)收，同年8月已在西山煤電斜溝煤礦下井安裝完畢進(jìn)入調(diào)試階段。通過一系列的研究和試驗(yàn)，自動化綜采工作面技術(shù)有了很大提高，控制理念也基本清晰，整體水平已達(dá)到實(shí)用化階段，可在一定程度上減少現(xiàn)場操作人員。
綜合近幾年的一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和上述技術(shù)突破，自動化綜采工作面技術(shù)已漸入實(shí)用化階段。隨著實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的不斷投入運(yùn)行，技術(shù)會日趨完善、產(chǎn)品可靠性會不斷提高；標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品很快就會出現(xiàn)，實(shí)用化的少人或無人自動化綜采工作面將投入運(yùn)行。
2  綜采工作面設(shè)備組成
    綜采工作面設(shè)備從整體自動化的角度可分為生產(chǎn)設(shè)備、輔助設(shè)備、測控系統(tǒng) ，其平面布置如圖1所示。

 
2.1  生產(chǎn)設(shè)備
    綜采工作面的生產(chǎn)設(shè)備包括主要采煤設(shè)備、和轉(zhuǎn)載運(yùn)輸設(shè)備。主要采煤設(shè)備是整個綜采工作面的核心設(shè)備，可將其稱為主采機(jī)組。筆者將工作面的“三機(jī)”——采煤機(jī)、輸送機(jī)、液壓支架看作一個大型設(shè)備。由于這3種設(shè)備在結(jié)構(gòu)上相互連接，動作上相互制衡，位置上相互重疊，故從自動控制的角度來看是不可分割的一個整體，應(yīng)由測控系統(tǒng)統(tǒng)一控制。轉(zhuǎn)載運(yùn)輸設(shè)備是綜采工作面的接續(xù)設(shè)備，包括轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、帶式輸送機(jī)等，主要完成煤炭的連續(xù)運(yùn)輸工作。
2.2  輔助設(shè)備
    輔助設(shè)備一般是指設(shè)備列車上的所有動力保障設(shè)備，包括動力中心、泵站、清水站、自動配液系統(tǒng)等。動力中心為整個綜采工作面所有設(shè)備提供電力，測控系統(tǒng)可通過網(wǎng)絡(luò)對其任何一個動作進(jìn)行控制，并可讀取每一條路線的所有電氣參數(shù)及開關(guān)狀態(tài)。泵站是液壓支架的動力源，可通過測控系統(tǒng)進(jìn)行集中控制，完成自動配液、軟化處理、壓力檢測、水位控制、泵組開停及各種保護(hù)功能。
2.3  測控系統(tǒng)
    測控系統(tǒng)是自動化綜采工作面的中樞神經(jīng)，是綜采工作面由機(jī)械化向自動化過渡的關(guān)鍵設(shè)備，包括工作面整體操作控制中心、主采機(jī)組控制站、轉(zhuǎn)載運(yùn)輸控制站、視頻監(jiān)測中心、通信調(diào)度中心等。其中有幾項(xiàng)技術(shù)瓶頸需要攻克，如主采機(jī)組控制站中包含的采煤機(jī)高速通信系統(tǒng)、煤巖識別系統(tǒng)、姿態(tài)檢測系統(tǒng)、關(guān)鍵部件故障檢測系統(tǒng)；支架電液控制系統(tǒng)、支架姿態(tài)檢測系統(tǒng)和刮板輸送機(jī)自動張緊系統(tǒng)、自移機(jī)尾系統(tǒng)、地形檢測及工作面調(diào)直系統(tǒng)[32]。；隨機(jī)移動的工作面可視化系統(tǒng)、高速有線及無線通信系統(tǒng)、高可靠的實(shí)時控制系統(tǒng)和高性能的防爆計算機(jī)等。目前，支架電液控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化已達(dá)到實(shí)用化水平，采煤機(jī)記憶切割、高速通信系統(tǒng)已有重大突破，如科達(dá)自控公司的HAIBUS通信系統(tǒng)在多個采煤機(jī)廠的產(chǎn)品中已投入使用，工作面可視化系統(tǒng)、高速有線及無線通信系統(tǒng)和基于主采機(jī)組概念的實(shí)時控制系統(tǒng)已在多個工作面得到驗(yàn)證。其專項(xiàng)技術(shù)也有大量的機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究。
筆者從自動化綜采工作面的設(shè)計和實(shí)施過程中發(fā)現(xiàn)，要想實(shí)現(xiàn)綜采工作面的自動化運(yùn)行，必須對綜采工作面的設(shè)備重新認(rèn)識和定位[23]，必須打破原有的在人工操作基礎(chǔ)上以單機(jī)為控制目標(biāo)的傳統(tǒng)思路、打破設(shè)備生產(chǎn)廠家的界限、打破設(shè)備功能的界限；修正單機(jī)智能化的傳統(tǒng)研究思路，從工作面整體采煤的思路來看待每一臺設(shè)備，將它們作為一個大機(jī)器的一個部件，在控制中心的統(tǒng)一控制下協(xié)調(diào)工作。
3  自動化綜采工作面概念的誤區(qū)
    近幾年，筆者經(jīng)常在網(wǎng)絡(luò)、報紙或其他媒體上看到“自動化綜采工作面”、“智能化綜采工作面”、“無人綜采工作面”、“數(shù)字化綜采工作面”等投入運(yùn)行的消息，使得業(yè)內(nèi)人士眼花繚亂。在由于國家對此還沒有統(tǒng)一定義，筆者認(rèn)為首先應(yīng)從概念上進(jìn)行規(guī)范，使用戶真正認(rèn)清自己要的是什么、做的是什么，以便為后續(xù)綜采工作面自動化、信息化的推進(jìn)和應(yīng)用起到參考標(biāo)示性作用。
目前，機(jī)械化綜采設(shè)備在山西、內(nèi)蒙等煤炭大省已基本普及，但在云南、貴州、四川等地質(zhì)條件較差的省份還有相當(dāng)數(shù)量的煤礦沒有使用綜采設(shè)備，更不用說采煤自動化了。但不論什么條件，都有關(guān)于“無人工作面”或“自動化工作面”的相關(guān)報道，總結(jié)起來以下幾種情況：
（1） 把機(jī)械化當(dāng)自動化。對于一直以人工炮采為主要工藝的煤礦，突然試驗(yàn)成功“綜采設(shè)備采煤”，人員由原來的幾百人一下降到幾十人，不再用人工落煤，就以為是自動化采煤了。
（2） 把支架電液控制系統(tǒng)當(dāng)成工作面自動化。在各種報道中經(jīng)常出現(xiàn)煤礦企業(yè)把支架電液控制系統(tǒng)當(dāng)成工作面自動化?，F(xiàn)在比較成熟的電液控制系統(tǒng)都具有跟機(jī)拉架、自動降、移、升等簡單控制功能?？陀^上這些均為支架本身的自動控制，可使支架工由操作液壓閥改為操作電液控制按鍵；單架或成組的連貫動作可以自動完成；在頂?shù)装鍡l件特別好的情況下也可以進(jìn)行跟機(jī)拉架動作[4]。但這樣的系統(tǒng)只是改變了人們的操作方式，并不能大量減少人員。有些報道把它夸大為工作面自動化，一方面可能是對工作面自動化理解不深，另一方面也存在夸大宣傳的問題。這種觀點(diǎn)是把個別設(shè)備的自動化理解為整個工作面的自動化，這樣宣傳會產(chǎn)生誤導(dǎo)，客觀上不是推動自動化工作面技術(shù),而是起到阻礙作用。
（3） 玩文字游戲，“智能化工作面”、“數(shù)字化工作面”、“無人工作面”、“自動化工作面”、“工作面一鍵啟動”、“鼠標(biāo)采煤”等，讓人眼花繚亂，無所適從。這些概念有的是從不同角度出發(fā)，取不同的名字 ，；有的是為了突出科研申報項(xiàng)目與別人項(xiàng)目的差異化，以名詞創(chuàng)新替代技術(shù)創(chuàng)新。但就目前的技術(shù)水平來說，這些名稱都沒有實(shí)質(zhì)區(qū)別，而且大部分都是名不符實(shí)。
4  自動化綜采工作面的概念和定義
    就上述幾種情況而言，前2種屬于認(rèn)識的局限性，把機(jī)械化和單機(jī)設(shè)備自動化當(dāng)成了“自動化工作面”，應(yīng)徹底否定，以免誤導(dǎo)行業(yè)發(fā)展。對于第3種情況，也應(yīng)有一個具體的界定。筆者認(rèn)為對于自動化工作面，“無人工作面”是目標(biāo)； “數(shù)字化工作面”是“自動化工作面”某一方面的特征；“智能化工作面”是“自動化工作面” “數(shù)字化工作面”從單一技術(shù)層面而言，只是技術(shù)手段而已，它強(qiáng)調(diào)的是對工作面設(shè)備的數(shù)字化描述的特征，不能完全體現(xiàn)“自動化工作面”的控制特征。而“智能化工作面”應(yīng)該是自動化水平達(dá)到能模仿人的思維方式的高級階段，應(yīng)該具有處理非常規(guī)問題的能力。如果整個工作面的自動化控制系統(tǒng)達(dá)到了智能化這一水平，“無人工作面”的目標(biāo)就可真正實(shí)現(xiàn)了。但目前的現(xiàn)實(shí)情況是，自動化工作面才剛剛起步，自動化水平還沒有達(dá)到智能化的程度，至多只能說是使用了一些智能化的技術(shù)，只達(dá)到了少人的程度。根據(jù)以上分析，又由于目前煤礦自動化工作面技術(shù)應(yīng)用僅限于采煤工作面，所以目前的煤礦自動化工作面應(yīng)以“自動化綜采工作面”來命名比較恰當(dāng)，并根據(jù)其自動化程度的不同再給出如下分級的定義。
4.1  綜采工作面局部自動化
    局部自動化是指在綜采工作面中，某一種或幾種設(shè)備自身在不受外界條件影響下可實(shí)現(xiàn)自動化動作，而不需要人工操作。如支架電液控制系統(tǒng)的跟機(jī)拉架、自動降、移、升等；采煤機(jī)的牽引速度自動調(diào)節(jié)、滾筒的記憶切割、刮板輸送機(jī)的自動張緊等。局部自動化只能提高單品種設(shè)備的自動化程度，在一定程度上減輕礦工的勞動強(qiáng)度，不能明顯減少作業(yè)人員，但它是自動化工作面的基礎(chǔ)。局部自動化的這些自動控制項(xiàng)目都是機(jī)械設(shè)備根據(jù)自身動作規(guī)律進(jìn)行小范圍自動調(diào)節(jié)和控制，其動作條件是假設(shè)周邊條件不變的情況下進(jìn)行的，在地面演示或在煤層非常穩(wěn)定的條件下也可以實(shí)現(xiàn)整個工作面自動化，但從控制原理上看，它是屬于“開環(huán)控制”。但在實(shí)際應(yīng)用中由于工作面生產(chǎn)條件經(jīng)常受地質(zhì)條件變化、設(shè)備之間時空關(guān)系的變化等影響，“開環(huán)控制”很難正常工作。
4.2  綜采工作面半自動化
    要實(shí)現(xiàn)整個工作面的自動化運(yùn)行，僅有局部自動化功能是不夠的。因?yàn)榫C采工作面是很多機(jī)械聯(lián)動，地質(zhì)條件也是隨時變化的。綜采工作面半自動化是指在局部設(shè)備具備部分單機(jī)自動化功能的前提下，在工作面端頭進(jìn)行由人工干預(yù)的控制，。根據(jù)具體情況，又分2種情況：① 在條件理想化的情況下，工作面的中間段由端頭控制中心控制單機(jī)（局部機(jī)械）實(shí)現(xiàn)自動化運(yùn)行。② 在條件發(fā)生變化的情況下或復(fù)雜工藝段，可在端頭控制中心根據(jù)視頻信號，進(jìn)行人員遠(yuǎn)程操作，如情況復(fù)雜，人員可進(jìn)入工作面進(jìn)行直接干預(yù)。
4.3  綜采工作面全自動化
    綜采工作面全自動化應(yīng)該具備較高水平的自動化控制功能，基本實(shí)現(xiàn)采煤的無人化。從工藝設(shè)計開始（如斜切進(jìn)刀、割三角煤、掃底煤、自動調(diào)高等），到各設(shè)備之間的協(xié)調(diào)控制（如自動配液、順序啟動、集中送電、滾筒自動調(diào)高、自動拉架推溜、自移機(jī)尾、鏈條設(shè)備自動張緊、工作面一鍵啟停、設(shè)備干涉自動檢測等）； 采用無線通信、視頻跟機(jī)監(jiān)控、圖像自動拼接等技術(shù)；所有操作都在工作面控制中心協(xié)調(diào)完成。綜采工作面全自動化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
 
4.4  綜采工作面智能自動化
    智能自動化也可簡稱為智能化，它是自動化程度一個更高層面，而不是脫離“自動化工作面”的另一個層面。智能化在具體采煤過程中與全自動化沒有太大區(qū)別，只是在特殊情況下它應(yīng)該具有部分人工智能，可提供出特別的控制策略?？捎梢韵铝鞒虂砑右詤^(qū)別：由“檢測—比較—計算——執(zhí)行”發(fā)展到“檢測—識別—推理（運(yùn)算）—決策—執(zhí)行”。如遇到煤層突然變化，如何自動識別煤巖并自適應(yīng)調(diào)節(jié)設(shè)備動作；根據(jù)運(yùn)輸系統(tǒng)的負(fù)荷能力調(diào)節(jié)采煤機(jī)的割煤速度；根據(jù)瓦斯和通風(fēng)條件變化調(diào)節(jié)采煤速度；設(shè)備主要部件故障診斷和壽命周期管理等?？梢哉f，智能化采煤對采煤工作面的研究有極其重要意義，是長遠(yuǎn)目標(biāo)，而且智能自動化本身也是從低級到高級分階段的，這個發(fā)展過程也是隨著技術(shù)進(jìn)步而不斷推進(jìn)的。
5  自動化綜采工作面的發(fā)展
    現(xiàn)在業(yè)界對自動化綜采工作面有不同的認(rèn)識，研究的技術(shù)路線也各不相同，主要分2大派：① 以電液控制為主的單機(jī)智能派，強(qiáng)調(diào)各獨(dú)立機(jī)器設(shè)備的自動化水平；②以主采機(jī)組概念為代表的系統(tǒng)派，強(qiáng)化工作面的系統(tǒng)概念。筆者認(rèn)為不論是哪一派都是在各自熟悉的方面提升綜采工作面的自動化水平，都會對綜采工作面無人或少人化有積極的推動作用。盡管目前從生產(chǎn)和使用的角度看，工作面的3種核心設(shè)備由不同廠家生產(chǎn)和提供，而且各自有獨(dú)立的動力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，但三者在采煤過程中是不可分割的。在目前以人工操作為主要工作方式的情況下（機(jī)械化采煤），每臺設(shè)備的動作可單獨(dú)操作，各自生產(chǎn)廠家都對其進(jìn)行自動化技術(shù)的改造升級，如智能采煤機(jī)系統(tǒng)、電液控制系統(tǒng)、刮板輸送機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)等。但某一種設(shè)備自動化水平的提高不會對工作面整體工作產(chǎn)生太大影響。過度地強(qiáng)化單機(jī)的自動化控制功能，而弱化系統(tǒng)概念，只會使單機(jī)越做越復(fù)雜，成本越來越高。
要實(shí)現(xiàn)綜采工作面的全自動化，應(yīng)從以下3個方面調(diào)整對采煤工作的認(rèn)識。
（1） 建立系統(tǒng)概念，把綜采工作面所有設(shè)備看作一個整體可移動的機(jī)組，整個回采過程就是機(jī)組整體移動的作業(yè)過程。其中各種設(shè)備如采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)等，只是其中的一個部件，所有部件由測控系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)、控制，使其形成一個整體。綜采工作面系統(tǒng)化控制示意如圖3所示。

  
（2） 弱化局部設(shè)備（部件）的控制功能，強(qiáng)化其通信、檢測、保護(hù)和執(zhí)行功能，所有控制命令由控制中心發(fā)出。設(shè)備的每一個動作都是在收集大量信息（各部件提供的設(shè)備狀態(tài)、姿態(tài)、位置、速度及地質(zhì)數(shù)據(jù)）進(jìn)行大量運(yùn)算后的結(jié)果，每一個動作都是在考慮當(dāng)下各部件的時空關(guān)系和地質(zhì)條件下進(jìn)行的，這樣才能保證各設(shè)備之間不干涉，同時又能高速運(yùn)作。
（3） 自動化動作與人工操作截然不同，在設(shè)計軟件時盡可能優(yōu)化工藝，使其更適合自動化運(yùn)行規(guī)律。所以，真正的自動化工作面不再是以機(jī)械設(shè)備為主導(dǎo)，由設(shè)備司機(jī)操控的設(shè)備群，而是以自動化控制系統(tǒng)為主導(dǎo)，由采煤工藝工程師來操作的一個采煤系統(tǒng)[5]。
    從這個角度理解，自動化綜采工作面應(yīng)該是一個可以自動行走、自動割煤、自動支護(hù)、自動裝煤、自動運(yùn)煤的一臺大型機(jī)器，而操作人員不在不是分別操作各個子機(jī)器上，而是在巷道的操作列車上操作這臺大機(jī)器。
6  結(jié)語
    煤礦綜采工作面的自動化工作，以達(dá)到無人或少人采煤為目的，是采煤技術(shù)發(fā)展的終極目標(biāo)；經(jīng)過多年的研發(fā)和實(shí)驗(yàn)，自動化綜采工作面技術(shù)已漸入實(shí)用化階段。在新技術(shù)推廣階段，由于市場及用戶對此了解甚少，難免會出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)不一、概念混亂的現(xiàn)象。有必要從技術(shù)和實(shí)施效果方面做一些界定，為以后行業(yè)或國家制定標(biāo)準(zhǔn)做一些前期鋪墊。“自動化綜采工作面”作為項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)名稱，在此基礎(chǔ)上分為綜采工作面局部自動化、綜采工作面半自動化、綜采工作面全自動化、綜采工作面智能自動化4個不同的技術(shù)級別是比較客觀和科學(xué)的。在上述技術(shù)分級的基礎(chǔ)上，技術(shù)研發(fā)應(yīng)該以全自動化或智能化為目標(biāo)進(jìn)行總體布局、分階段推進(jìn)。首先應(yīng)從優(yōu)化工藝開始、建立系統(tǒng)控制概念，避免設(shè)備廠家單打獨(dú)斗的現(xiàn)象，真正實(shí)現(xiàn)綜采工作面的自動化運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無人和少人化作業(yè)，從而把采煤工人從惡劣環(huán)境中解放出來。

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