趙宇星

（神華神東煤炭集團(tuán)公司石圪臺煤礦，陜西 榆林 719315）

淺談綜采自動(dòng)化及發(fā)展趨勢

趙宇星

（神華神東煤炭集團(tuán)公司石圪臺煤礦，陜西 榆林 719315）

本文重點(diǎn)介紹了基于JOY采煤機(jī)及瑪珂PM32支架電液控制系統(tǒng)的自動(dòng)化綜采工作面的硬件配套、組織結(jié)構(gòu)及各設(shè)備相互間的通信方式；在此基礎(chǔ)上，闡述了綜采自動(dòng)化需要編輯的程序及需要設(shè)計(jì)的參數(shù)。分析了跟機(jī)自動(dòng)化割煤的工藝，并指出了關(guān)于如何進(jìn)一步提升綜采自動(dòng)化水平的方向。

采煤機(jī)；電液控制系統(tǒng)；綜采自動(dòng)化

1 引言

當(dāng)今世界能源越來越受到人們的關(guān)注。作為工業(yè)生產(chǎn)中重要的能源，煤炭也倍受社會(huì)的關(guān)注。煤礦的出煤量主要來自于綜采工作面，一個(gè)礦綜采工作面出煤量的大小直接決定這個(gè)礦的產(chǎn)量。影響綜采工作面出煤量的因素主要有兩點(diǎn)：其一是工作面的采高；其二是采煤工藝。隨著現(xiàn)代化采煤的不斷發(fā)展，適合綜采的中厚煤層越來越少，綜采工作面的采高開始走向兩個(gè)極端：一是向著低采高方向發(fā)展（采高小于3米），二是向著大采高方向發(fā)展（采高大于6米），不管從哪個(gè)方向發(fā)展都不適合人工操作機(jī)械割煤。這樣的工作面人工操作機(jī)械割煤不僅工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大大增加，而且也存在巨大的安全隱患。為了提高勞動(dòng)效率，同時(shí)減輕勞動(dòng)量，就需要我們研究新的采煤工藝，與此同時(shí)自動(dòng)化工作面也就應(yīng)運(yùn)而生。

2 綜采工作面自動(dòng)化系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

自動(dòng)化系統(tǒng)主要集中在三個(gè)層面：地面調(diào)度室﹑順槽控制臺﹑整個(gè)綜采工作面，如圖1所示。

2.1 工作面設(shè)備

工作面主要的自動(dòng)化設(shè)備為采煤機(jī)和支架控制器兩部分：

采煤機(jī)機(jī)身上涉及自動(dòng)化方面的設(shè)備主要有：

（1）搖臂角度傳感器﹑機(jī)身俯仰搖擺傳感器：兩個(gè)角度傳感器配合使用，通過一定計(jì)算可以精確的計(jì)算出此時(shí)煤機(jī)兩個(gè)滾筒的實(shí)際高度或是高度差。

（2）D齒輪傳感器：通過該傳感器計(jì)數(shù)，煤機(jī)控制器可以精確的采集到煤機(jī)的行走距離，再除以每個(gè)支架的寬度就可以在JNA顯示器上顯示煤機(jī)所在的當(dāng)前支架架號。

（3）煤機(jī)位置紅外線發(fā)射器：與支架上的紅外接收器配合使用，使得支架控制器能夠得到煤機(jī)當(dāng)前所在的支架位置。

（4）搖臂滾筒監(jiān)測攝像頭：該裝置將煤機(jī)兩滾筒與煤壁的接觸狀況轉(zhuǎn)化為電信號，再通過光電轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化為光信號，最后通過光纜傳遞給控制臺的顯示器。

（5）工作面兩端頭復(fù)位開關(guān)：由于支架中間存在間隙，導(dǎo)致煤機(jī)不能依靠D齒輪準(zhǔn)確的計(jì)算出所在支架的位置，為防止誤差越來越大，就裝設(shè)了該裝置。通過該裝置可以在煤機(jī)走到特定架時(shí)強(qiáng)制對其讀數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。

圖1 綜采自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 采煤機(jī)記憶割煤初始化流程

圖3 支架自動(dòng)化初始化流程

（6）遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要是由調(diào)制解調(diào)器﹑隔離模塊和網(wǎng)絡(luò)耦合器組成。中央控制器（CCU）的所有信息都可以在該系統(tǒng)的作用下，通過動(dòng)力載波技術(shù)沿煤機(jī)動(dòng)力電纜傳遞到控制臺。

支架方面的主要設(shè)備是瑪珂pm32支架控制器。

2.2 順槽控制臺處的設(shè)備

煤機(jī)方面的主要有：RPE﹑JOS（久益順槽控制計(jì)算機(jī)）﹑光電信號轉(zhuǎn)換裝置﹑搖臂監(jiān)測顯示器。

（1） RPE：主要由動(dòng)力載波模塊（SPLM）﹑網(wǎng)絡(luò)耦合器﹑隔離模塊﹑光電轉(zhuǎn)換模塊組成，負(fù)責(zé)將高壓電纜上傳遞的信號接收﹑解碼，并且轉(zhuǎn)換為光信號傳遞給JOS。

（2）JOS：主要由光電轉(zhuǎn)換模塊﹑中央處理器（CCU）﹑JNA顯示器組成。當(dāng)RPE將煤機(jī)的信號傳遞過來，JOS就可以通過JNA顯示器實(shí)時(shí)的顯示出煤機(jī)的各個(gè)信號。

（3）光電信號轉(zhuǎn)換裝置：主要由光電耦合器（OC1），JNA柵，電流環(huán)﹑光電轉(zhuǎn)換器組成，主要負(fù)責(zé)將遠(yuǎn)程遙控器所發(fā)指令轉(zhuǎn)換為本安信號后再轉(zhuǎn)換為煤機(jī)可以識別的光信號，通過光纜傳遞到煤機(jī)的控制器上，完成遠(yuǎn)程控制。

（4）搖臂監(jiān)視顯示器：主要由四個(gè)本安液晶顯示器組成，它們通過和煤機(jī)機(jī)身上裝設(shè)的高清攝像頭配合使用，可以將煤機(jī)滾筒和煤壁的相對位置實(shí)時(shí)的顯示出來，可以有效的幫助煤機(jī)司機(jī)對搖臂進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。

放置在控制臺的關(guān)于支架的設(shè)備主要是瑪珂主控計(jì)算機(jī)。該設(shè)備一方面可以根據(jù)現(xiàn)場的需要設(shè)置支架跟機(jī)自動(dòng)化的各項(xiàng)參數(shù)；另一方面可以通過顯示界面實(shí)時(shí)的顯示煤機(jī)位置﹑立柱的壓力﹑推移油缸的伸縮量﹑工作面推進(jìn)位置﹑支架的動(dòng)作狀態(tài)等等。

另外還有一臺光纖交換機(jī)，可以將支架控制器上的信息和JOS上顯示的關(guān)于煤機(jī)信息通過光纖發(fā)送到地面。

3 綜采自動(dòng)化系統(tǒng)軟件設(shè)置

3.1 采煤機(jī)記憶割煤的初始化設(shè)定

如圖2，在記憶割煤程序初始化中，對傳感器的標(biāo)定都是自動(dòng)方法下進(jìn)行了，既進(jìn)入相應(yīng)的標(biāo)定界面，根據(jù)系統(tǒng)提示的步驟按順序進(jìn)行標(biāo)定，精確的傳感器標(biāo)定是記憶割煤能否順利進(jìn)行的關(guān)鍵。

（1）標(biāo)定俯仰﹑搖擺傳感器：所謂的俯仰角度是沿采煤機(jī)機(jī)身和兩搖臂方向與水平線的角度，而搖擺角度是指沿采煤機(jī)機(jī)身垂直于兩搖臂方向的傾斜度。標(biāo)定俯仰﹑搖擺傳感器主要分為三個(gè)步驟：既根據(jù)相應(yīng)界面提示利用手持式角度儀分別精確的測量出俯仰﹑搖擺的最大值和水平值，并輸入到相應(yīng)的系統(tǒng)；最后對俯仰﹑搖擺傳感器的角度進(jìn)行修正。

（2）標(biāo)定搖臂角度傳感器：搖臂角度傳感器標(biāo)定分為左右兩部分，首先將搖臂盡可能的抬高，用手持式角度儀測量出此時(shí)的角度值，輸入到系統(tǒng)內(nèi)部；然后盡可能的將搖臂降到最低點(diǎn)，再用角度測量儀測出此時(shí)的值，將其輸出到系統(tǒng)當(dāng)中；最后進(jìn)行搖臂角度修正值的設(shè)定：調(diào)節(jié)搖臂高度，直到搖臂鉸鏈銷軸的中心和滾筒的中心在一條水平線上，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算出搖臂角度修正量的近視值。

（3）標(biāo)定支架寬度：進(jìn)入支架寬度設(shè)定界面，將煤機(jī)移動(dòng)至紅外發(fā)射器正對任意支架的中心停下，點(diǎn)擊下一步后，將煤機(jī)向機(jī)尾方向牽引10架，在紅外發(fā)射器對準(zhǔn)支架中心時(shí)停止?fàn)恳c(diǎn)擊下一步，系統(tǒng)將自動(dòng)計(jì)算支架的寬度，這樣計(jì)算出的寬度帶有支架的架間縫隙寬度，使得系統(tǒng)能夠更精確的顯示煤機(jī)所在的支架位置。

（4）設(shè)定自動(dòng)參數(shù)：需要設(shè)置兩部分參數(shù)：a﹑記憶割煤參數(shù)；b﹑煤機(jī)支架聯(lián)動(dòng)參數(shù)。

記憶割煤參數(shù)主要包括最大﹑最小煤層厚度等煤層條件及采煤機(jī)機(jī)身長﹑寬﹑高，搖臂長度﹑支腿距離﹑滾筒直徑﹑左右滾筒的臥底量等煤機(jī)的固有參數(shù)。煤機(jī)支架聯(lián)動(dòng)參數(shù)主要有左右端頭支架架號﹑機(jī)頭機(jī)尾自動(dòng)停止支架架號﹑左右復(fù)位支架架號等與支架相關(guān)的參數(shù)。

（5）編輯過程列表：主要是創(chuàng)建新的列表﹑確定支架運(yùn)行的起始和終止區(qū)間，如端頭段的起始和終止架號﹑確定支架運(yùn)行區(qū)間的方向（包括左向﹑右向和端頭三種方向）﹑設(shè)定區(qū)間搖臂控制模式和設(shè)定區(qū)間程序控制高度。

3.2 支架跟機(jī)自動(dòng)化初始化步驟

（1）設(shè)置自動(dòng)化類型：根據(jù)自己要實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化類型來調(diào)整當(dāng)前的設(shè)置，確定必需的設(shè)置。對于自動(dòng)化來說有兩個(gè)子部分：推溜﹑自動(dòng)移架。這兩個(gè)部分都可以單獨(dú)或者是組合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

（2）設(shè)置工作面自動(dòng)化范圍：當(dāng)對整個(gè)工作面實(shí)行自動(dòng)化的時(shí)候，工作面范圍參數(shù)會(huì)影響到自動(dòng)化的進(jìn)行。所以在自動(dòng)化的過程中對工作面范圍的設(shè)定要準(zhǔn)確。

（3）設(shè)置采煤機(jī)最大跳躍項(xiàng)：該項(xiàng)的功能是在自動(dòng)化過程中如果前一次得到的采煤機(jī)位置數(shù)據(jù)和當(dāng)前取得的采煤機(jī)位置數(shù)據(jù)相差的值超過這個(gè)參數(shù)時(shí)，跟機(jī)自動(dòng)化就會(huì)停止。

（4）設(shè)置采煤機(jī)最大步距及特殊步距：這項(xiàng)參數(shù)規(guī)定了在采煤機(jī)運(yùn)行的不同方向，不同位置時(shí)，運(yùn)輸機(jī)自動(dòng)化的步距。

（5）設(shè)置支架自動(dòng)化狀態(tài)：支架的自動(dòng)化狀態(tài)是指該支架是否允許作自動(dòng)動(dòng)作。每一個(gè)支架的自動(dòng)化可以分為三組：移架，推溜，自動(dòng)移架。

（6）設(shè)置各種自動(dòng)化參數(shù)：端頭范圍﹑端尾范圍﹑采煤機(jī)范圍﹑推溜距離﹑推溜范圍﹑移架距離﹑移架范圍等自動(dòng)化有關(guān)的參數(shù)，如果有護(hù)幫板還要設(shè)置護(hù)幫板收打的相關(guān)參數(shù)。

4 工作面實(shí)際應(yīng)用情況

神東煤炭集團(tuán)石圪臺煤礦22上204綜采工作面長度315m，全部跨落法管理頂板，設(shè)計(jì)采高為1.8m。工作面安裝平煤2.2m液壓支架173臺，電控系統(tǒng)為瑪珂的pm32，JOY公司的07LS1A--LWS632型采煤機(jī)。采煤工藝流程：采煤機(jī)中間向下斜切進(jìn)刀→下行割煤→上行反空刀→自下而上移架推刮板運(yùn)輸機(jī)→采煤機(jī)由中間上行割煤→下行返空刀→采煤機(jī)中間向下斜切進(jìn)刀（下行割煤）→由中間開始自下而上移架推刮板運(yùn)輸機(jī)。

采煤機(jī)根據(jù)示范刀的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，隨著工作面的地質(zhì)變化自動(dòng)升降搖臂，使?jié)L筒達(dá)到適合的高度自動(dòng)割煤。液壓支架通過判斷采煤機(jī)的位置，自動(dòng)的實(shí)現(xiàn)降住﹑拉架﹑升柱﹑推溜等各個(gè)工序。

5 總結(jié)與展望

經(jīng)過一個(gè)工作面的運(yùn)行，取得了明顯的效果。相對于以前人工操作割煤，月增產(chǎn)約20%，節(jié)省人工約40%。但是目前這套自動(dòng)化割煤系統(tǒng)也美中不足，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

由于生產(chǎn)過程中工作面的粉塵比較大，導(dǎo)致攝像頭無法清楚的顯示煤壁的實(shí)際情況，影響煤機(jī)司機(jī)的遠(yuǎn)程操控效果；

由于煤機(jī)的自動(dòng)割煤是基于示范刀的設(shè)定高度，如果脫離煤機(jī)司機(jī)就只能按照上刀的位置行走，無法實(shí)時(shí)的跟進(jìn)工作面的實(shí)際情況。

基于以上的不足，綜采自動(dòng)化工作面需要從以下幾個(gè)方面發(fā)展：

（1）投入高清攝像裝備，能夠盡量減少粉塵對畫面清晰度的影響；

（2）加入煤巖辨識裝置，區(qū)分煤層和巖層的分界線，從而更好的實(shí)現(xiàn)煤機(jī)沿煤層走動(dòng)；

（3）加入先進(jìn)的控制算法和行走路線辨識方法，使得煤機(jī)能夠更加精確地按照預(yù)想路線行走。

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