近年来，国家有关部门针对煤机装备智能化发展出台了《中国制造2025—能源装备实施方案》《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》等政策文件，要求开展智能化技术与制造装备融合的集成创新和工程应用，加快实施智能化技术与煤炭行业及煤机装备的深度融合。
自2017年以来，教育部积极推进新工科建设，发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》《高等学校人工智能创新行动计划》等文件，要求“不断推动人工智能与教育深度融合、为教育变革提供新方式”“引领我国人工智能领域科技创新、人才培养和技术应用示范”，全力探索形成领跑全球工程教育的中国模式、中国经验，助力高等教育强国建设。
基于上述背景，面向高等院校科学研究实验平台与人才培养教学实践平台建设，以太原理工大学煤机特色机械工程专业为背景，通过分析“煤矿综采成套装备实验系统”自动化与智能化改造过程与应用，探讨智能化科学实验与教学实践平台建设的路径与方法，为煤矿智能化建设科学研究、人才培养、平台建设等提供新思路。
实验系统改造目的
2015年12月，太原理工大学与山西汾西矿业（集团）有限责任公司（以下简称山西汾西矿业）依托煤矿综采装备山西省重点实验室，借助“煤矿综采装备设计理论与智能化技术”山西省科技创新重点团队科研力量联合共建了“煤矿综采成套装备实验系统”，配套煤矿综采成套装备以建设小型的智能化综采工作面作业环境。煤矿综采成套装备实验系统的主体设备由山西汾西矿业提供，由曾经在矿井开采过程中使用过的装备组成，功能完整，具备综采装备的大部分功能要求，液压支架能够实现电液控制，成套装备可以实现集中控制，关键环节及动作可以实现视频监控。
煤矿综采装备山西省重点实验室的煤矿综采成套装备
“煤矿综采装备山西省重点实验室”由太原理工大学、太重煤机有限公司与山西煤矿机械制造股份有限公司共同建设，太原理工大学王学文教授为重点实验室主任，中国工程院院士葛世荣为学术委员会主任。“煤矿综采装备设计理论与智能化技术”山西省科技创新重点团队依托太原理工大学机械与运载工程学院、煤矿综采装备山西省重点实验室和高端煤矿机械装备山西省协同创新中心，廉自生教授为团队带头人。
图1 煤矿综采成套装备实验系统的整体改造思路
“实验室”和“创新团队”以建设国内一流、国际先进的综采装备科技创新与人才培养基地为目标，长期开展煤矿综采装备基础理论、前沿和共性关键技术的研究。已建成能够开展国内国际前沿课题研究的实验平台，是我国该领域研究的重要基地之一。主要研究方向包括：综采装备设计理论与信息化技术、综采装备机电液一体化理论与技术、综采装备故障诊断与智能运维技术、高端采煤机共性关键技术、高端输送设备共性关键技术。
自2016年1月以来，由太原理工大学牵头，联合山西汾西矿业和山西科达自控股份有限公司等单位对装备进行整体自动化和智能化改造，通过改造和配套自动化核心部件和装置，实现该实验系统的自动化和智能化操作，并通过不断试验和研发，安装新的综采工作面自动化部件和装置，建设自动化与智能化综采工作面实验室。
“煤矿综采成套装备实验系统”自动化与智能化改造历时4年：2016年1—8月完成设备维修、运输与安装调试，2016年8月—2018年6月完成关键自动化系统改造，2017年2月—2019年12月完成若干信息系统与智能化元器件改造，2016年8月—2019年12月边改造边应用，2019年12月完成改造并已成熟应用。
“煤矿综采成套装备实验系统”改造目的主要有以下3点：
1）人才培养。改善煤机装备（机械工程）领域人才培养与科研条件，提高人才培养平台的智能化与信息化水平；为太原理工大学煤机装备领域的研究生和本科生实践能力培养创造更好的条件，为山西汾西矿业及其他煤炭企业一线职工提升智能化装备操作水平创造更好的条件。
2）科学研究。基于改造后的智能化煤矿综采成套装备实验系统，提升太原理工大学和山西汾西矿业及其他煤炭企业针对煤矿智能化的合作研究水平，提升承担煤机装备智能化领域重要科研项目的能力。
3）平台建设。改造后的智能化煤矿综采成套装备实验系统为校企提供重要的产学研平台，为太原理工大学的机械工程学科建设和实验室建设提供重要平台支撑，为山西汾西矿业及其他煤炭企业提供重要的职工教育培训基地。
实验系统改造思路及预期实现功能
基本思路
煤矿综采成套装备实验系统改造的内容包括：采煤机电控系统改造、支架电液控系统改造、组合开关通信控制部分改造、供电系统前级变频改造等。
改造具体设备首先需要实现设备的就地启动，通过一段时间的试运行后，为设备配备辅助控制系统实现巷道可视化操作。系统通过调度室实现远程可视化操作，并对远程可视化操作功能不断改进和研发，最终实现该试验工作面的全自动化，煤矿综采成套装备实验系统的整体改造思路如图1所示。
预期实现功能
1）实现协调运行。通过检测采煤机、液压支架、刮板输送机的运行姿态，实现采煤机、液压支架、刮板输送机干涉自动停机闭锁；通过监测采煤机在工作面的位置，实现采煤机记忆截割；通过控制采煤机的牵引方向、采高和速度，实现采煤机、液压支架、刮板输送机的协调运行。
2）实现远程控制。对采煤机、液压支架、刮板输送机、转载机、组合开关的远程数据进行监测和控制。
3）优化工艺参数，实现信号传输。优化采煤工艺参数，实现采煤机、液压支架工作模式的决策与参数调整，实现工作面端头、过渡、中间支架和采煤机、刮板输送机的协调运行。根据采煤工艺的要求，采用端头斜切进刀一次采全高的采煤工艺。在工作面的中间段，通过以采煤机的位置坐标为引导，由液压支架电液系统自动完成跟机拉架的控制运行；在端头斜切进刀的区域范围内，工作面集中控制系统根据采煤机的位置、速度、运行方向发出控制指令，液压支架控制系统执行成组或单架指令，配合完成斜切进刀的采煤工艺。根据端头架、超前架、转载机的运行先后工序要求，工作面集中控制系统根据各设备的返回状态信息和工艺要求发出启停指令，接到动作信号后，各设备自动完成每个控制循环周期并实时返回当前状态标志信号。
4）实现视频监控。通过在液压支架、采煤机和其他关键点上分别安装摄像头，实现对整个工作面的视频监控，作为智能化工作面的重要组成部分。以采煤机位置为坐标，实现对采煤机的视频跟踪切换，完成对整个工作面设备的可视化管理，通过网络对视频图像进行远程传输，实现在地面调度的远程监视和数据存储。
实验系统主要改造内容
改造涉及的主要设备
1）采煤机。采煤机型号为MG250/600-1.1D，采煤机总机功率为600 kW，其中，截割电机250 kW、牵引电机45 kW。该采煤机没有电控部分，若要实现自动化集中控制，需要改造内部电控系统，且电控系统需要具备通信接口，能够通过RS485或者以太网通信以实现与集控平台的数据通信，集控平台可实现对采煤机的远程数据采集和控制。采煤机改造工作：①需要在采煤机上配套安装1套无线数据转换器，将采煤机的数据转换成无线信号，传送给集控平台；②需要给采煤机配套牵引部编码器、摇臂部编码器；③需要给采煤机配备成套传感器，如电压、电流、温度、倾角传感器；④需要将采煤机现有的手动按钮控制改为PLC集中控制。
2）液压支架。液压支架型号为ZZ4000/18/38支撑掩护式支架，液压支架操作方式为手动操作，为了实现自动化集中控制，需要将现有的液压支架手动操作改造为电液控操作，且电液控系统支持标准的Modbus通信协议或者TCP/IP协议。液压支架改造工作主要包括对液压系统和控制系统的改造，通过改造实现液压支架的电液控制。液压系统的改造主要包括换向阀的变更以及液压胶管排布、更换等；液压支架电控系统改造需增加的电控部件有控制器、驱动器、隔离耦合器、电源、行程传感器、压力传感器、红外传感器以及相应的连接电缆等。
3）刮板输送机、转载机、破碎机“三机”系统。需要配备1套单机头刮板输送机（带电缆槽、刮板、链条等），电机功率为160 kW；配备1套转载机，电机功率为150 kW；配套1台破碎机，电机功率为110 kW。
4）泵站系统。需要配备1套小型的乳化液泵站系统，保证液压系统的稳定供液。
5）供电负荷。需要配套供电系统2路，1路进线为AC1 140 V 400 kW，1路进线为AC380 V。AC1 140 V进线带载设备为采煤机、刮板输送机、转载机、破碎机、组合开关、防爆变频器；AC380V带载设备为泵站系统、带式输送机。
智能化改造增加的设备及其主要参数
1）集控操作平台。包含1台核心交换机、6台迷你PC、1套PLC系统、1台支架本安操作台、1台采煤机本安操作台、6台本安显示屏、7块DC12V开关电源、2台防爆计算机等。集控操作平台长×宽×高为180 cm×55 cm×190 cm，总进线电压为AC100~250 V。6台本安显示屏显示内容分别为：1号屏显示支架视频监控，2号屏显示采煤机机身除尘摄像仪，3号屏显示固定点视频图像，4号屏显示采煤机数据信息，5号屏显示支架电液控系统信息，6号屏显示刮板输送机、转载机和破碎机的系统信息。
2）矿用隔爆兼本质安全型计算机。采用矿用隔爆兼本安型计算机配接矿用本安无线鼠标和矿用本安型键盘。该计算机支持RS232-485、Ethernet接口的数据传输，额定电源电压为AC127 V（75%~110%）/50 Hz，CPU高于双核1.6 GB；内存不低于2 GB，硬盘不小于500 GB。
3）集控平台核心交换机。可任意组建10/100Mbit/s星形、总线网络；通过LED（电源、链路状态、数据通信）和信号触点（信号掩码可使用按钮现场设置）进行设备诊断；单模光纤通信距离10 km；通过SNMP接入点，交换机可集成在现有网络管理架构中；通过对VLAN的支持，可集成在企业安全策略中；供电电压AC220 V，电口为24口。
4）矿用本安无线基站。无线基站是无线网络的接入点和无线收发单元，是移动终端与矿用交换机之间的无线通信传输中转站。无线基站相关参数如下：防护等级为IP54，防爆形式为本质安全型，防爆标志为ExibⅠ，传输方式为全双工/半双工自适应，RJ45接口数量3个，双绞线通信距离≥2 km，通信协议为TCP/IP架构、WiFi协议，工作信道为1-11信道，发射场强为–25±5 dBm/m，接收灵敏度≤–80 dBm/m。
5）矿用隔爆兼本安型直流稳压电源。额定工作电压为DC12 V，最大工作电流为0.8 A，防护等级为IP54，防爆形式为隔爆兼本安，防爆标志为Exd[ib]Ⅰ。
6）KBA127（A）矿用隔爆兼本安型摄像仪。最低照度≤0.2 Lux，水平清晰度≥350线，灰度等级≥7 级，接口类型为RJ-45，传输速率为10/100Mbit/s（自适应），最大传输距离为100 m。
7）KBA127矿用隔爆型摄像仪，参数如下：
图2 改造过程中的部分设备及应用
1—手动操纵阀组；2—电磁驱动器；3—支架控制器；4—14功能14出口电液换向主阀
图3 液压支架电液控制系统改造前后对比
实践应用效果与效益
煤矿综采成套装备实验系统完成自动化与智能化改造后，实现了综采成套装备的集中控制与监控（图4），可以实现命令执行、信息采集、信息处理与传输等功能。
自2016年开始维修和改造以来，煤矿综采成套装备实验系统一直处于边改造边使用的阶段，直到2019年12月全部改造完毕，该实验系统在实践教学、人员培训、科学研究、科普服务等方面发挥了重要作用。基于系统改造后取得的良好效益，该系统获得2021年全国煤炭机械制造业“五小”创新成果一等奖，为太原理工大学机械工程学科建设与专业发展做出了贡献。
实践教学
“煤矿综采成套装备实验系统”承担着太原理工大学机械与运载工程学院《矿山机械》《采掘运机械》《机械测试与控制》等课程的认知实验，以及机械设计专业课程设计、认知实习、毕业设计、毕业实习等实践课程的实验与实操任务（图5）。
煤矿综采成套装备实验系统在太原理工大学机械设计制造及其自动化专业最近2次通过中国工程教育专业认证（2016年、2020年）中发挥了重要作用；2020年，在申报“机械设计制造及其自动化”国家级一流专业建设点过程中，该系统作为重点支撑材料为本专业获批国家级一流专业建设点发挥了重要作用，并在一流专业建设中继续承担机械设计方向的实践教学建设任务；该系统承担着太原理工大学国家级教学示范中心“煤炭资源开采利用与装备工程实验教学中心”中有关煤机装备的部分实践教学任务，以及“山西省煤矿装备与机械结构虚拟仿真实验教学中心”的虚实结合实验系统教学任务。
图4 煤矿综采成套装备实验系统改造后的整体效果
图5 本科生通过煤矿综采成套装备实验系统进行专业认知学习
智能化技术培训
2019年8月—2020年12月，山西汾西矿业与太原理工大学煤矿综采装备山西省重点实验室联合创办了“智能化工作面建设培训班”（图6）。对来自山西汾西矿业下属的高阳煤矿、柳湾煤矿、水峪煤业等12个单位的职工进行了综采装备智能化技术培训。截至2020年12月，智能化工作面建设培训班已完成10期培训（待疫情防控稳定后，培训将继续进行），每期22天，每期学员50名，已累计培训山西汾西矿业学员约500名。
图6 智能化工作面建设培训班
智能化工作面建设培训班主要依托改造后的煤矿综采成套装备实验系统，培训内容主要包括综采装备基础知识、智能化系统基础知识、智能化系统原理和组成、智能化系统基本操作方法以及如何判断和维护智能化系统故障等。
智能化工作面建设培训班的培训效果良好，学员普遍反映收获很多，对煤矿智能化有了更加深刻的认识，充分了解了煤机装备智能化系统的基础理论和操作方法；智能化工作面建设培训班培养了既懂管理又深刻理解信息技术的专业技术管理队伍，培养了充分了解煤矿智能化的基层建设队伍，为山西汾西矿业打造全国最大的智能化高效清洁炼焦煤生产基地打下了良好的基础。
科学研究
近年来，煤矿综采装备山西省重点实验室承担了一些煤机装备智能化和信息化领域的国家级和省部级科研项目，包括国家自然科学基金项目、山西省重大专项、山西省煤机重点科技攻关项目、山西省重点研发计划项目、山西省科技基础服务平台建设项目等。在国家级和省部级重要科研项目申请过程中，煤矿综采成套装备实验系统发挥了重要的平台支撑作用；在项目执行和研究过程中，承担了科研项目的实验室实验功能。
公益服务
自2016年开始，“煤矿综采成套装备实验系统”在山西省科技厅组织的每年1次的公众开放活动中，承担着向社会普及煤矿综采装备领域科学知识的作用。
近5年来，“煤矿综采成套装备实验系统”的累计受益社会公众达2 000余人次，在激发社会公众科学创新意识方面效果明显，对“煤矿综采装备山西省重点实验室”科学创新支撑作用明显，有效提升了“煤矿综采装备山西省重点实验室”的公众影响力。
结 语
面向智能化实验与实践平台建设，通过产学研结合的方式，对太原理工大学“煤矿综采成套装备实验系统”进行了机械接口改进、元器件成套组装、综采工作面自动化核心部件与智能化装置配套安装等改造，构建了小型综采工作面作业环境，实现了自动化和智能化操作。
改造后的“煤矿综采成套装备实验系统”对太原理工大学煤机特色机械工程专业人才培养、科学研究、实验室建设等发挥了重要作用；对太原理工大学推进“双一流”学科建设与新工科“智能化+实践教育”专业建设做出了贡献；为学校提供了重要的产学研综合实践平台，为行业企业提供了重要的教育培训基地。
随着煤矿智能化的逐步深入推进，太原理工大学煤矿综采装备山西省重点实验室将继续通过产学研结合方式，不断完善“煤矿综采成套装备实验系统”的自动化、信息化和智能化功能，持续提升该系统服务专业、学科、科研和人才培养的能力。
