一、采煤機(jī)自動(dòng)控制功能概述
采煤機(jī)的自動(dòng)化是整個(gè)工作面自動(dòng)化的中心環(huán)節(jié)。JOY7LS1A采煤機(jī)配備記憶智能程控煤巖分界識(shí)別及控制系統(tǒng)即記憶截割系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一種基于位置傳感器和計(jì)算機(jī)記憶截割的技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)的記憶儲(chǔ)存及自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒的自動(dòng)調(diào)高。
記憶截割系統(tǒng)是采煤機(jī)的可選功能。此系統(tǒng)增強(qiáng)了采煤機(jī)支架聯(lián)動(dòng)（SIRSA）系統(tǒng)功能，可在JNA Face Boss電控系統(tǒng)中編制不同的割煤方法。一旦編制了這些方法并啟動(dòng)后，采煤機(jī)將在司機(jī)最小限度的干預(yù)下自動(dòng)運(yùn)行。
記憶截割程序使用兩個(gè)安裝在搖臂根部的角度傳感器，跟蹤兩個(gè)搖臂的高度，每個(gè)搖臂各使用1個(gè)角度傳感器。在電控箱中裝有兩個(gè)俯仰/搖擺傳感器，程序用來跟蹤采煤機(jī)的俯仰和搖擺角度。這些部件與JNA Face Boss系統(tǒng)一起可使采煤機(jī)沿工作面自動(dòng)運(yùn)行，而不受坡度和搖擺角度的影響。
圖1 采煤機(jī)傳感器
二、自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)方式
要實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)記憶截割功能需按要求完成以下基本設(shè)置。
1.輸入記憶截割參數(shù)
操作人員需要在自動(dòng)操作屏幕上輸入以下參數(shù)以實(shí)現(xiàn)記憶割煤。主要包括清除學(xué)習(xí)模式的數(shù)據(jù)、最大煤層厚度、最小煤層高度、采煤機(jī)“X”“Y”“Z”方向相關(guān)尺寸、搖臂的長(zhǎng)度及其顯示單位、支腿間距、滾筒直徑、高度閾值、搖臂調(diào)整閾值、滾動(dòng)傳感器的滿刻度值、俯仰傳感器的滿刻度值、左臂角度傳感器滿刻度值、右臂角度傳感器滿刻度值、Delta高度、手動(dòng)轉(zhuǎn)換模式、記憶截割控制模式、臥底控制最大范圍、左滾筒臥底量、右滾筒臥底量、臥底控制選擇、煤層俯仰角補(bǔ)償、俯仰角變化增量、左搖臂角度修正值、右搖臂角度修正值、俯仰角度修正值、搖擺角度修正值、頂板控制、禁止檢查。
2.采煤機(jī)支架聯(lián)動(dòng)參數(shù)
操作人員需打開牽引參數(shù)屏幕輸入以下參數(shù)，主要包括左端頭支架、右端頭支架、機(jī)頭自動(dòng)停止支架、機(jī)尾自動(dòng)停止支架、左復(fù)位支架、右復(fù)位支架。
3.俯仰/搖擺傳感器設(shè)定
JNA Face Boss系統(tǒng)需要與關(guān)于采煤機(jī)位置有關(guān)的信息才能正常工作，俯仰和搖擺傳感器給系統(tǒng)提供了采煤機(jī)水平位置的信息。使用記憶割煤前，必須先對(duì)俯仰和搖擺傳感器進(jìn)行標(biāo)定。這兩個(gè)傳感器的校準(zhǔn)程序要求標(biāo)定以下四個(gè)參數(shù)：俯仰值的滿刻度值、搖擺值的滿刻度值、俯仰角度的修正值、搖擺角度的修正值。
4.支架寬度設(shè)定
JNA Face Boss系統(tǒng)存儲(chǔ)的采煤機(jī)相對(duì)于支架系統(tǒng)的位置信息是記憶截割和采煤機(jī)支架聯(lián)動(dòng)的操作的基本信息。采煤機(jī)操作人員在執(zhí)行這些操作以前必須先執(zhí)行支架寬度標(biāo)定。
5.搖臂角度傳感器設(shè)定
JNA Face Boss系統(tǒng)需要搖臂的位置信息才能正確執(zhí)行自動(dòng)割煤功能。搖臂角度傳感器放置在每一個(gè)搖臂中，能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供搖臂位置的信息。在使用記憶截割前，兩個(gè)搖臂的測(cè)角儀都必須要進(jìn)行校準(zhǔn)。JNA Face Boss系統(tǒng)提供了自動(dòng)的和手動(dòng)兩種校準(zhǔn)傳感器的方法。
測(cè)角儀的校準(zhǔn)過程要求校準(zhǔn)以下四個(gè)參數(shù)：左搖臂測(cè)角儀滿刻度值、右搖臂測(cè)角儀滿刻度值、左搖臂測(cè)角儀修正值、右搖臂測(cè)角儀修正值。
6.編輯記憶截割程序過程表
JNA Face BossSystem用過程表去控制所有記憶截割的程序。有不同的方法來配置記憶截割的功能。搖臂自動(dòng)控制模式通常是輸入一個(gè)“過程區(qū)間”，此過程區(qū)間包括相關(guān)的牽引和啟/停的支架號(hào)?？刂葡到y(tǒng)保存的過程區(qū)間的數(shù)量是不受限制的，這些過程區(qū)間組成一個(gè)過程表。能夠創(chuàng)建和保存多個(gè)過程表，每個(gè)表都有唯一名字。
記憶截割系統(tǒng)使用存儲(chǔ)在程序表中的信息自動(dòng)的執(zhí)行采煤機(jī)的某些操作。這些自動(dòng)的操作包括沿著底板中部槽移動(dòng)采煤機(jī)和升高/降低搖臂。過程表被分成不同的區(qū)間，每個(gè)區(qū)間制定采煤機(jī)在刮板輸送機(jī)的某一段上的采煤機(jī)動(dòng)作。在通常的記憶截割配置中，經(jīng)常使用下列點(diǎn)作為參考。如圖2所示。
圖2 記憶割煤配置中的參考點(diǎn)
7.設(shè)定搖臂控制模式
在建立的一個(gè)過程區(qū)間內(nèi)，每個(gè)搖臂都可以設(shè)定為不同的模式，包括：
1手動(dòng)模式：操作人員手動(dòng)控制每個(gè)搖臂的高度。
2程序模式：僅僅在水平或者坡度變化較小時(shí)使用。自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，程序模式將控制搖臂并設(shè)定搖臂固定的截割高度。此高度為與當(dāng)前搖擺角的平行線垂直的滾筒中心到中部槽底板之間的距離。
3程序差模式：允許采煤機(jī)在正的或負(fù)的高度情況下，自動(dòng)的控制尾部或參考基準(zhǔn)的滾筒。這個(gè)高度由導(dǎo)向滾筒和尾滾筒的高度差值所決定的。當(dāng)采煤機(jī)開始截割時(shí)，導(dǎo)向滾筒的高度被儲(chǔ)存。尾滾筒將以確定的垂直偏差值跟隨相同的截割輪廓，垂直差值導(dǎo)向滾筒和尾滾筒中心間的垂直距離。當(dāng)新建立一個(gè)程序差區(qū)間時(shí)，在過程表中輸入此垂直差值。正確的差值為采高減去滾筒直徑（偏差=要求采高-滾筒直徑）。程序差模式、程序模式或重復(fù)模式都可以手動(dòng)操作導(dǎo)向滾筒，程序差模式用于固定采高的煤層。
臥底控制功能加強(qiáng)了程序差模式的功能，它可以控制臥底量。如果記憶割煤程序試圖把滾筒升離底板或試圖向下割底板，臥底控制將把臥底深度限定在臥底控制量最大區(qū)間參數(shù)、左滾筒臥底量和右滾筒臥底量參數(shù)限定的范圍內(nèi)，每個(gè)方向都可以使用或禁止臥底控制。
4有基準(zhǔn)的程序差模式：此模式用于自動(dòng)控制導(dǎo)向滾筒和尾滾筒。這個(gè)模式和程序差模式相似，但不用導(dǎo)向滾筒作為基準(zhǔn)，用程序表中以前一區(qū)間中儲(chǔ)存的高度作為基準(zhǔn)。
5重復(fù)模式：允許司機(jī)把工作面的輪廓輸入記憶截割程序，然后在割煤過程中重復(fù)。在沿工作面的手動(dòng)控制割煤過程中，記憶割煤系統(tǒng)保存或?qū)W習(xí)一個(gè)搖臂的高度輪廓。一旦采煤機(jī)保存了輪廓曲線，且處于自動(dòng)模式，重復(fù)模式將復(fù)制保存割煤過程。如果在重復(fù)模式下，操作人員手動(dòng)調(diào)節(jié)了搖臂高度，一旦松開搖臂按鈕，搖臂將自動(dòng)返回程序保存的高度。在任何時(shí)候操作人員能夠?qū)⒉擅簷C(jī)切換回“學(xué)習(xí)”重新保存一段工作面輪廓曲線。
6在線學(xué)習(xí)功能：當(dāng)工作面輪廓變化，司機(jī)可能發(fā)現(xiàn)有必要重新執(zhí)行教學(xué)模式來記憶工作面的輪廓。從自動(dòng)模式切換到學(xué)習(xí)模式，可開始學(xué)習(xí)模式。
三、測(cè)試及應(yīng)用情況
某礦44305工作面從2008年9月份開始采用自動(dòng)化工藝進(jìn)行生產(chǎn)，生產(chǎn)中實(shí)際采煤機(jī)速度為6-8m/min，最大可達(dá)10m/min，每刀煤平均用時(shí)1h，生產(chǎn)班割煤6-7刀，每天割煤14刀，每刀煤平均產(chǎn)量665t，工作面平均日產(chǎn)9310t，最高日產(chǎn)9730t，工作面具備年產(chǎn)300萬t能力。
在自動(dòng)化測(cè)試階段，先后試驗(yàn)了采煤機(jī)尾滾筒隨動(dòng)割煤、采煤機(jī)記憶割煤、采煤機(jī)記憶割煤加有線遠(yuǎn)程干預(yù)三種自動(dòng)化工藝。其效果評(píng)價(jià)如下：
①尾滾筒隨動(dòng)割煤評(píng)價(jià)
測(cè)試方案：由一個(gè)煤機(jī)司機(jī)操作導(dǎo)向滾筒，尾滾筒隨動(dòng)，并通過采高設(shè)定及底板控制等參數(shù)進(jìn)行約束。
測(cè)試結(jié)果：可實(shí)現(xiàn)單人操作采煤機(jī)，煤機(jī)司機(jī)可根據(jù)工作面變化及時(shí)調(diào)整導(dǎo)向滾筒高度，采煤機(jī)對(duì)頂?shù)装蹇刂戚^好。該工藝必須有操作人員跟機(jī)作業(yè)，在1.8m采高條件下，當(dāng)采煤機(jī)速度超過6m/min時(shí)，人員跟機(jī)操作困難，采煤機(jī)割煤能力得不到充分發(fā)揮。
②采煤機(jī)記憶割煤效果評(píng)價(jià)
測(cè)試方案：采煤機(jī)采用記憶截割，支架跟隨采煤機(jī)自動(dòng)拉架、推溜，在工作面條件惡劣的區(qū)段對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行人工干預(yù)，工作面變化較大時(shí)采煤機(jī)學(xué)習(xí)標(biāo)準(zhǔn)刀。正常工作時(shí)采煤機(jī)司機(jī)監(jiān)護(hù)煤機(jī)運(yùn)行狀況，遇到緊急情況進(jìn)行干預(yù)操作，支架工監(jiān)護(hù)支架運(yùn)行情況，對(duì)未動(dòng)作到位的支架進(jìn)行人工干預(yù)。
測(cè)試結(jié)果：采用雙向割煤工藝進(jìn)行“學(xué)習(xí)/重復(fù)模式”記憶割煤。采煤機(jī)可以對(duì)不同區(qū)段滾筒高度進(jìn)行記憶，但試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)煤機(jī)在底板變化不大的情況下能夠比較準(zhǔn)確地控制滾筒高度，不割頂?shù)装澹辉诘装遄兓^大的地方，對(duì)割煤高度控制不好，時(shí)常出現(xiàn)割頂、割底、留臺(tái)階等情況，影響煤質(zhì)，需要加以人工干預(yù)或重新學(xué)習(xí)。另外，該工藝通過采煤機(jī)自動(dòng)重復(fù)示范刀割煤，該方式下不能有效對(duì)工作面內(nèi)的設(shè)備和巡視人員的安全狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
③采煤機(jī)記憶割煤加有線遠(yuǎn)程干預(yù)效果評(píng)價(jià)
測(cè)試方案：采用煤機(jī)記憶割煤、支架跟機(jī)自動(dòng)化，操作人員根據(jù)工作面機(jī)頭監(jiān)控系統(tǒng)提供的信息對(duì)煤機(jī)及支架進(jìn)行遠(yuǎn)程干預(yù)。該工藝通過采煤機(jī)上的攝像系統(tǒng)對(duì)工作面進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視，主要解決了工作面內(nèi)設(shè)備和人員的安全問題，并可通過遠(yuǎn)程干預(yù)實(shí)時(shí)調(diào)整采煤機(jī)滾筒高度，適應(yīng)煤層變化。
測(cè)試結(jié)果：無人工作面自動(dòng)化工藝在頂?shù)装鍡l件較好的情況下可以實(shí)現(xiàn)所要求的功能，實(shí)現(xiàn)工作面全自動(dòng)化、無人化運(yùn)行。在工作面地質(zhì)條件變化區(qū)域，部分功能受干擾因素較多，應(yīng)用效果有待提高。
存在的主要問題：首先視頻監(jiān)控范圍有限，操作人員無法看到整個(gè)工作面設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)；發(fā)生支架推拉銷斷、液管損壞、煤機(jī)拖拽電纜損壞等緊急情況時(shí)無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)。其次采煤機(jī)司機(jī)通過視頻監(jiān)測(cè)工作面頂?shù)装迩闆r存在一定視覺誤差，無法做到準(zhǔn)確控制采煤機(jī)滾筒高度，保證割煤質(zhì)量。
④支架三角區(qū)域自動(dòng)化試驗(yàn)效果評(píng)價(jià)
測(cè)試情況：對(duì)支架三角區(qū)自動(dòng)化程序進(jìn)行了測(cè)試，程序可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。原程序存在三角區(qū)范圍太長(zhǎng)的缺點(diǎn)，現(xiàn)在程序已經(jīng)修改，可根據(jù)實(shí)際工藝設(shè)置三角區(qū)返刀距離。機(jī)頭屬人員相對(duì)集中區(qū)域，機(jī)頭、機(jī)尾端頭支架與刮板機(jī)驅(qū)動(dòng)蓋板間距離較小，在上述區(qū)域運(yùn)行自動(dòng)化拉架程序存在一定人員及設(shè)備安全隱患，需在監(jiān)護(hù)下運(yùn)行自動(dòng)化程序。
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