文章来源：《智能矿山》2022年第7期智能装备专栏

作者简介：张阳，工程师，主要从事煤矿网络与采煤机嵌入式系统、采煤机智能化开采应用方面的研究工作

引用格式：张阳.采煤机智能化技术成果与展望[J].智能矿山，2022，3（7）:70-79.

中煤科工集团上海有限公司（原煤炭科学研究总院上海分院，以下简称上海煤科）创建于1959年，是央企中国煤炭科工集团有限公司全资子公司，主要从事煤矿井下与矿山系统成套设备与技术的研发、制造、销售，以及提供产品全生命周期服务的现代化经营型企业。主导产业是采掘机械成套设备、输送机械系列产品、自动化智能控制系统和智能矿山信息化系统、游乐设备及煤矿机械、电气和非金属材料检测等。上海煤科是我国煤炭行业煤矿专用设备标准化技术委员会、中国煤炭学会煤矿机电一体化专业委员会、中国电工技术学会煤矿电工专业委员会、中国煤炭工业安全科学技术学会机电安全专业委员会和防静电及阻燃材料专业委员会、中国煤炭机械工业协会矿灯及井下照明专业委员会的挂靠单位，是国际标准化组织ISO/TC82采矿国内技术对口单位。

在采煤机方面，上海煤科目前的采煤机产品包括6大类190多种型号，是我国采煤机产品生产种类最多、型号最丰富的设备制造商。上海煤科智能化采煤机采用自主研发的新型DSP+ARM采煤机控制系统，以先进的设计和强大的功能推动采煤机技术的发展进步，连续多年采煤机销售数量稳居行业第一，并对外出口到俄罗斯、乌兹别克斯坦、土耳其、孟加拉等国家，是我国电牵引采煤机的重要创新基地。近年来，上海煤科研制生产的特厚煤层超大功率系列采煤机，适应采高5.0~9.0 m，装机功率2 750~3 450 kW，整机质量221~230 t，生产能力≥1 500万t/a。特别是MG1100/3050-WD型超重型超大采高电牵引采煤机，装机功率达到3 450kW，可实现9 m超厚煤层的一次采全高智能化高效开采，创采煤机装机功率与开采高度世界之最。

01 新型采煤机电控系统

新型 DSP+ARM 电控系统特点

上海煤科研发的新型D S P+A R M电控系统（TDECS系统），是专为煤机应用设计的一种分布嵌入式控制系统。该系统以高性能的DSP技术为基础，先进的ARM处理器为核心，使用高可靠CAN总线和工业以太网等技术将各功能模块及外部智能化设备连接在一起，实现互联互通交互访问。新型DSP+ARM电控系统具备全面的工况监测与智能化故障诊断和保护功能，高级的参数化、智能化记忆截割自动操纵系统，稳定可靠的全功能远程操作控制功能，并具有超强的系统扩展能力。

借助高性能的DSP与ARM技术，电控系统程序扫描周期小于200 μs，总运算指令能力可达每秒5.5亿次。高实时性的电控系统设计让各个控制和接入接口设备都能在预定的时间进行交互访问，减少设备等待时间，大幅提高了控制系统的接入灵敏度；针对采煤机电控系统牵引调速控制功能及自动截割综合决策功能的高数据流信息处理，结合DSP指令集及FPU指令集的优良性能和高效率，让牵引系统调速控制更加精准高效，综合决策更加合理，使采煤机在复杂的地质条件下具备更加智能化的响应效果。

电控系统架构

新型DSP+ARM电控系统将采煤机的各种功能划分为多个独立功能模块，各模块具备独立运行的处理器，通过CAN、网络总线、FSK等互联，上海煤科采煤机电控基础架构如图1所示，在该架构的基础上支持进一步扩展升级。

煤机性能与远控

（1）上海煤科特有的FSK调制传输实时控制通信系统，采用高抗干扰的FSK调制全双工载波通信，可实现开机前安全自检和预警电源同步传输。

（2）全面支持巷道对采煤机进行可靠低延迟的操作控制及数据监视，并支持数据上传。

（3）从巷道到采煤机内部，指令传输延迟11 ms，延时抖动小于1 ms。

（4）基于优先级的操作监控延时控制与保障，总延迟控制在50~200 ms。

（5）支持EIP、工业以太网TCP/IP、RS485、CAN等通信协议。

（6）支持WiFi、光纤、宽带载波、4G/5G等多种通信传输方式。

02 智能截割开采技术

智能自主截割系统

采煤机智能自主截割系统是上海煤科研制的电牵引采煤机控制系统的高级功能，用于提升采煤机的自动化水平，增强采煤机的操控性能，减轻采煤司机的劳动强度，提高生产效率。

采煤机智能自主截割系统由截割控制模块、自动截割软件包、传感检测模块、配套传感器等组成。该系统采用自由曲线截割方式，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、扫底自动截割运行。

在执行自主截割时，可以随时通过遥控器等操作设备对采煤机的截割状态进行速度、方向、摇臂高度的干预，可在截割模型中选择记录或放弃该次干预，很大程度上提高了采煤机的应用灵活性。智能自主截割的操作比较简单，便于采煤机司机熟练使用。

基于地质模型的自适应截割

上海煤科采煤机支持配置专门规划截割（GMP/GMI）模块，用于与工作面地质模型主机交互获取规划截割模型、工艺数据，并执行相应的地质模型规划控制，采煤机地质模型规划截割模块如图2所示。模块内置专用高可靠固态存储器，用于保存上位模型主机下发的截割工艺过程数据，并通过多个以太网口与上位机及采煤机内模块互联。采煤机规划截割的功能与新型DSP+ARM电控系统原有的上位机远程监视、操作控制及记忆截割系统相对独立并兼容。常规的远控操作及状态还是通过原来的采煤机巷道监控箱自动化通信接口交互控制。在自动规划截割的运行过程中，上位机可同时通过自动化通信接口对采煤机采高及行走进行人工干预。

采煤机基于地质模型的自适应精准控制是在采煤机智能截割系统的基础上，通过接收上位机下发的由煤层精准地质模型得到的采高规划矢量数据，在采煤机自动截割运行过程中，对采煤机左右滚筒采高沿煤层分布自动调节，进行自适应精准控制下的自动割煤。采煤机地质模型规划截割如图3所示，该工艺方法无需采煤机司机时刻本地跟机或远程跟机调整摇臂，可有效降低操作人员的劳动强度，保证采煤机始终处在地质模型规划的采高范围内精准截割。

采煤机状态监测感知

智能截割系统配套传感检测网络包含左右滚筒采高传感器、采煤机牵引速度与工作面位置传感器、机身倾角、俯仰角度传感器和位置同步、水路压力、水路流量、泵背压力、泵箱油位、左右摇臂温度、左右牵引箱温度、泵箱温度、电缆张力等多种信号监测，采煤机机载传感系统如图4所示。

智能截割性能

上海煤科智能自主截割系统支持多达30个截割工艺段运行状态的记忆和准确再现，很好地支持了国内工作面复杂的端头截割工艺，实现了采煤机循环作业全过程的自动化智能截割。采煤机智能割煤开采工艺如图5所示。自动运行的采煤机在长度为300 m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±1.5%。

智能自主截割系统支持基于地质模型的规划截割，通过EIP协议获取工作面的三维地质模型相关数据, 应用开采水平控制策略，可实现基于地质模型的自适应精准割煤，为少人无人化开采助力。

03 智能化升级组件

机载单对芯千兆以太网

上海煤科在煤机领域首次应用两芯千兆以太网技术，成功研发出适用于煤机应用的单对线（两芯）千兆以太网机内互联通信模块、单一双绞线网络交换机等模块，组建了采煤机专用高集成、千兆无阻塞单对线以太网络数据交换系统。单对芯以太网络的优点如图6所示，简化了系统连接，解决了采煤机智能化、网络化对数据传输及功能扩展的需求，为智能化采煤机的物联网及大数据应用提供高带宽骨干网络支持，相关指标处于国际领先水平。

摇臂健康监测系统

上海煤科采煤机摇臂健康监测系统包含采煤机摇臂振动在线监测系统和采煤机摇臂油液在线监测系统（预研中），可实时监测左右摇臂振动情况。该系统支持实时监测左右摇臂传动系统内部油液的温度、介电性能、金属磨粒污染等情况，为摇臂的健康诊断和预警提供基础数据支撑，高度集成的摇臂油液传感器如图7所示。

采煤机碰撞干涉系统

一次能源按其能否循环使用和能否反复得到补充，分为非再生能源和可再生能源。

基于雷达的采煤机碰撞干涉保护系统以先进的毫米波雷达技术和FPGA信号处理技术为基础，监测精度为±0.01 m，具有IP67的防水等级，能够在井下工作面复杂恶劣的工况环境下不受水、煤灰和振动的干扰，实时监测采煤机滚筒与液压支架顶护板的距离，并执行预警和保护。采煤机机载防碰撞雷达及安装效果如图8、图9所示。

采煤机人员接近保护系统

采煤机人员接近保护系统，接近探测基于UWB测距技术，通过在左右摇臂各安装1台UWB收发器，操作人员佩戴定位标识卡，实时监测定位标识卡与采煤机左右截割部的距离，并在采煤机机载显示屏上实时显示及声光预警。采煤机人员接近保护系统安装配置如图10所示，当人员进入红色保护区时，采煤机将启动保护动作，确保井下作业人员的人身安全，提高生产效率。

04 采煤机惯导应用技术

采煤机惯导应用

天地科技股份有限公司和上海煤科通过与澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）技术合作，签署了LASC技术许可协议、LASC硬件制造授权协议等系列协议，向中国大陆地区提供CSIRO的LASC技术与产品的销售、服务、技术支持和商务推广。

LASC技术受国际和中国专利保护，LASC惯导采煤机定位及找直应用在行业同类应用中处于领先水平，上海煤科是国内独家将LASC惯性导航系统与采煤机电控系统进行深度融合，提供EIP协议全面支持的厂家，基于高精度惯性导航采煤机位置测量系统（SPMS）实现轨迹检测对工作面液压支架和刮板输送机的自动对齐找直、采煤机开采水平控制。上海煤科具有国内独家LASC硬件制造授权，是国内唯一一家支持为业内其他采煤机厂家安装应用LASC系统并提供硬件及适配接口等技术与服务的厂家。

采煤机惯导功能

（1）采煤机位置测量

使用惯性陀螺仪（精度达1.0×10-3rad）导航技术可精确测量采煤机在井下三维空间的坐标位置，采煤机在工作面三维位置测量如图11所示。

（2）工作面自动找直

LASC自动找直功能可帮助保持长壁工作面的直线度。基于高精度惯性定位装置开发的采煤机三维导航定位技术，可实现精确的工作面对齐调直控制，LASC自动找直功能的实践应用如图12所示。

（3）高级水平控制

以矿井提前物探所获得的地质数据建立的截割模型为基础，通过光学、红外等手段实时修正模型，与惯导精准定位相结合，修正采煤机的摇臂高度控制，从而使采煤机沿工作面走向方向始终在煤层中行进，为煤矿井下少人无人化自适应精准开采提供支撑。

采煤机电控与惯导深度融合

上海煤科采煤机新型DSP+ARM电控系统与LASC惯性导航系统实现了深度融合（图13），通过轨迹监测可对工作面液压支架和刮板输送机自动对齐找直提供有效支持，长度为300 m的工作面，采煤机三维姿态定位误差优于10 cm。

惯导系统提供采煤机导航与定位功能、工作面自动找直功能、三维实时建模测量，可根据三维地质模型支持工作面透明开采。此外，惯导系统软件用户界面友好，使用配置方便；向第三方提供公开标准规范接口。目前上海煤科采煤机LASC惯导系统已在国内煤矿投入使用超过50台套。

05 5G+互联网融合技术

采煤机 5G+ 互联网应用架构

上海煤科采煤机互联网应用是由工作面采煤机主机网络、采煤机到巷道通信网络，矿井光纤环网/5G网络，以及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，采煤机5G+互联网应用的架构如图14所示。2021年，上海煤科与内蒙古智能煤炭有限责任公司麻地梁煤矿、中国移动通信集团有限公司、华为技术有限公司、上海山源电子科技股份有限公司等业务单位通力合作，在麻地梁煤矿井下实现了采煤机基于5G+远控的融合应用，成功实现了采煤机5G远程操控，为行业树立了标杆。采煤机5G+互联网远程展示如图15所示。

采煤机 5G 冗余远控装置

5G通信技术具有大带宽、广连接、低时延等优点，充分契合了煤矿井下设备通信监控对网络的需求，具有良好的应用前景。上海煤科在麻地梁煤矿的5G+智能升级改造中，充分考虑到井下采煤的特殊工况，创新性地研发了融合5G通信链路的CS-RG冗余网络远控系统，采煤机专用5G冗余远控系统如图16所示。以5G链路为主信道的同时，支持矿井原有有线网络（光纤、电缆）同步连接构成互为冗余的煤机设备实时网络监控信道，大幅提升了基于网络的采煤机远程操作控制的可靠性和智能化无人化开采应用的安全性，为实时远控采煤机生产场景的进一步丰富提供了关键核心技术支撑。

采煤机 5G+ 互联网远程

通过采煤机5G+互联网应用，在远程可以使用办公电脑、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的运行状态，实时跟踪监控工作面的生产状态，为用户提供端到端的远程诊断技术支持及应用升级。在复杂网络环境下，可通过5G网络支持低时延的远程监视及操作控制。

06 采煤机未来智能化发展展望

近几年，《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》《煤矿智能化建设指南（2021年版）》等政策相继发布，成为指导我国煤矿智能化建设和煤机装备发展的方向性文件。明确指出要将人工智能、工业物联网、云计算、大数据、机器人、智能装备等技术与现代煤炭开发利用深度融合，形成全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制的智能系统，提升煤机装备智能化水平，促进我国煤炭工业高质量发展。

煤矿与装备智能化是煤炭工业发展的必由之路，是实现新时期能源格局下煤炭高质量发展目标的核心技术支撑。在国家的大力推动下，在双碳目标指引和智能制造的大潮流下，煤炭行业正加速推进智能化建设，全国各煤炭企业都加大了对智能化建设的投入，切实地把智能化技术真正落实到煤炭生产中。以少人化无人化智能开采为代表的矿井生产重大技术变革, 是行业转型升级的重点内容与方向, 无论是国家还是行业都给予了高度重视和大力支持, 进行了大量的理论创新与实践探索，并不断向前开拓。采煤机作为直接面向煤炭开采的关键装备，发挥着排头兵的作用。

在采煤机智能化开采方面，国内已分别经历了可视化远程干预和工作面自动找直2个飞跃性阶段，目前正处于向大数据规划截割透明开采转型升级的过程中，最终将推动迎来透明矿井和智能矿山的崭新局面。 未来，以下述技术为特征的智能化采煤元素将更深入和广泛地融合到采煤机应用中。

（1）远程5G+采煤机运维协作技术可实现煤机远程智能增值服务、用户精准服务和成本精准控制，提升设备现场检修维护能力和售后服务水平，推进制造+服务的转型升级。

（2）多信息融合的故障智能诊断技术可提高故障隐患排除的实时性, 降低操作人员的工作强度，提高生产效率。

（3）大数据分析与寿命预测技术可实现煤机预知维护，科学指导备件库存管理，提升设备全寿命性价比，提高煤机运行安全可靠性。

（4）海量数据高效管理技术可为煤机产品结构优化和产品质量提升提供数据支撑，加快产品问题的追溯与改善。

（5）智能移动端信息共享技术可实现随时随地了解设备运行状态实时数据，高效预警信息提示。

未来，上海煤科将在煤机装备新技术新方法的融合应用上进一步深入研究和创新实践，持续对煤机产品进行技术研发与功能提升，推动采煤机智能化应用提高到新水平，以先进的装备和智能化开采技术为煤矿企业高质量发展助力。

根据能源消耗后是否造成环境污染可分为污染型能源和清洁型能源；根据使用的类型又可分为常规能源和新型能源。