采煤机记忆截割系统的研究与应用.pdf

★智慧矿山★ 移动扫码阅读引用格式任予鑫,康向南,杜昭等􀆱采煤机记忆截割系统的研究与应用 [J]􀆱中国煤炭,２０２０,４６５４１－４６ 􀆱 R e nY u x i n,K a n gX i a n g n a n,D uZ h a o,e t a l 􀆱R e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fm e m o r yc u t t i n gs y s t e mo fs h e a r e r [J]􀆱 C h i n aC o a l,２０２０,４６５４１－４６ 􀆱 采煤机记忆截割系统的研究与应用任予鑫康向南杜昭马昆国家能源集团宁夏煤业集团枣泉煤矿,宁夏回族自治区银川市,７５００００摘要智能采矿中采煤机的记忆截割是自动开采的一个关键要素,采煤机记忆截割系统能够提升采煤机的自动化水平、增强其操控性能、减轻司机劳动强度以及提高生产效率. 分析了采煤机记忆截割系统组成及其参数,介绍了采煤机记忆截割系统使用的各项传感器布置,详细阐述了采煤机记忆截割系统的手动模式、学习模式、自动截割模式３种系统运行模式和系统运行状态.通过在国家能源集团宁夏煤业集团枣泉煤矿２２０７０４综采工作面实际使用,采煤机记忆截割系统运行良好,实现了自动截割回采５００m,回采原煤５５万t,为综采工作面少人、无人化开采奠定了基础. 关键词枣泉煤矿采煤机记忆截割系统传感器布置自动截割中图分类号 T D６７文献标识码 A R e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fm e m o r yc u t t i n gs y s t e mo f s h e a r e r R e nY u x i n,K a n gX i a n g n a n,D uZ h a o,M aK u n Z a o q u a nC o a lM i n e,C h i n aE n e r g yG r o u pN i n g x i aC o a l I n d u s t r yG r o u p,Y i n c h u a n,N i n g x i a７５００００,C h i n a A b s t r a c t I n i n t e l l i g e n tm i n i n g,t h em e m o r yc u t t i n go fs h e a r e r i sak e ye l e m e n to fa u t o m a t i cm i n i n g 􀆱 T h em e m o r yc u t t i n g s y s t e mo f s h e a r e rc a n i m p r o v e t h e a u t o m a t i o n l e v e l o f s h e a r e r,e n h a n c e i t s c o n t r o l p e r f o r m a n c e,r e d u c e t h e l a b o r i n t e n s i t yo f d r i v Ｇ e ra n di m p r o v et h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y 􀆱 T h i sp a p e ra n a l y z e dt h ec o m p o n e n t sa n dp a r a m e t e r so f t h em e m o r yc u t t i n gs y s t e mo f s h e a r e r,i n t r o d u c e dt h ea r r a n g e m e n to fv a r i o u ss e n s o r su s e di nt h em e m o r yc u t t i n gs y s t e mo fs h e a r e r,a n de x p o u n d e di nd e t a i l t h r e es y s t e mo p e r a t i o nm o d e sa n ds y s t e mo p e r a t i o ns t a t e so f t h em a n u a lm o d e,l e a r n i n gm o d ea n da u t o m a t i cc u t t i n gm o d eo f t h e m e m o r yc u t t i n gs y s t e mo f s h e a r e r 􀆱T h r o u g ht h ea c t u a l a p p l i c a t i o no f ２２０７０４f u l l ym e c h a n i z e dc o a l f a c e i nZ a o q u a nC o a lM i n eo f C h i n aE n e r g yG r o u pN i n g x i aC o a l I n d u s t r yG r o u p,t h em e m o r yc u t t i n gs y s t e mo fs h e a r e ro p e r a t e dw e l l,r e a l i z i n gt h ea u t o m a t i c c u t t i n ga n dr e c o v e r yo f ５００ma n d５５００００t o n so f r a wc o a l,l a y i n ga f o u n d a t i o n f o r t h e f u l l ym e c h a n i z e dc o a l f a c ew i t hf e wp e o p l e a n du n m a n n e dm i n i n g 􀆱 K e yw o r d s Z a o q u a nC o a lM i n e,s h e a r e r,m e m o r yc u t t i n gs y s t e m,s e n s o ra r r a n g e m e n t,a u t o m a t i cc u t t i n g １采煤机记忆截割系统组成及其工作参数１ 􀆱 １系统组成采煤机记忆截割系统是通过数据采集和操控模式的转换实现的一种记忆自动化截割的方法[ １].该系统由配套传感器、传感检测与截割控制模块、记忆截割软件包等几部分组成.配套传感器主要包括左摇臂摆角传感器、右摇臂摆角传感器、采煤机牵引速度与工作面位置旋转编码传感器、采煤机机身倾斜传感器、采煤机机身三轴陀螺仪等.传感检测１４采煤机记忆截割系统的研究与应用主要检测各传感器的实时数据,截割控制模块里面安装有记忆截割工作程序,记忆截割模式开启后, 采煤机工作的指令发送由截割控制模块来完成.记忆截割软件包就是采煤机记忆截割程序,在记忆截割过程中,通过传感检测到的实时传感器数据与学习记忆的数据进行比较,经过记忆截割程序的运行,将采煤机各动作指令通过截割控制模块进行实施,完成记忆割煤工作. １ 􀆱 ２工作参数采煤机记忆截割主要涉及到的参数有摇臂长度、摇臂相对机身回转中心长度该长度的一半用于定位机器中部位置、摇臂回转中心高度回转中心相对于所骑运输机安装地平面垂直高度、支撑腿跨距两支撑滑靴支撑面几何中心之间距离、纵向尺寸支撑滑靴支撑面几何中心到滚筒最大截深处的水平面投影距离、滚筒直径、机器测量牵引速度从左往右牵引时,速度值为正,从右向左牵引时,速度值为负值、机身中部相对于设定参考零点的距离在参考零点的右侧输出为正值,左侧为负值,用于支架号定位计算和常规显示的数据一般是在此基础上根据现场配置和用户习惯变换后的计算值 . 采煤机记忆截割系统的工作参数与状态描述涉及机器本身的三维结构特征与尺寸定义、工作面的布置结构以及采煤机在工作面所处的位置姿态描述方法.采煤机机身三维结构特征涉及到的参数有俯仰角和行走方向坡角,俯仰角为相对于水平面,机器顶面煤壁侧高于采空侧时为仰采,机身倾斜传感器Y轴输出角度为正,俯采时机身倾斜传感器Y 轴输出角度为负.行走方向坡角为相对于水平面, 当右牵引部高于左牵引部时,机身倾斜传感器X 轴输出角度为正,反之为负. ２采煤机记忆截割系统传感器布置２ 􀆱 １记忆截割检测传感器采煤机要进行精准的记忆截割,离不开相应传感器传递的参数.记忆截割中核心的变量参数主要为采煤机所处的相对位置、在此位置处两滚筒的高度以及采煤机在相对位置处的速度.通过旋转编码传感器来给出采煤机的相对位置与速度,旋转编码传感器安装在牵引减速箱四轴位置处,通过计数转动圈数核算行走轮走过的截距,得出采煤机的位置与速度.通过摇臂摆角传感器计算出两滚筒的高度, 通过摇臂摆角传感器的角度与摇臂长度尺寸进行核算,最后加上摇臂回转中心距地面高度得出两滚筒高度.采煤机关键传感器安装位置如图１所示. 图１采煤机关键传感器安装位置２ 􀆱 ２滚筒截割高度传感器滚筒截割高度传感器采用摇臂摆角传感器进行感知,对于当前采高的计算,通过测量摇臂相对于机身的摆动角度以及根据机身自身的尺寸进行转换计算.滚筒截割高度传感器在安装过程中的关键在于保证旋转轴线与摇臂和机身摆动的回转轴线共线,在运行过程中若出现读数波动较大、失效等现象,需对传感器的安装工况进行排查,查验摇臂铰接销轴的连接牢固程度,尤其是活动回转部分是否随摇臂摆动、传感器到检测模块的电缆连接是否正常等.应当注意的是控制系统中对采高的输出有几种形式,包括摇臂相对于机身的摆角、滚筒旋转中心到所骑运输机安装平面垂直高度、滚筒顶部截割高度和后滚筒最下部截割高度卧底量 ,在系统不同环节使用不同数据形式. ２ 􀆱 ３采煤机位置传感器采煤机在工作面的位置检测与牵引速度传感器位于行走箱驱动轮转轴处,采用多圈旋转编码传感器检测牵引行走轮的转动圈数与角度,通过定时采样计算出机器牵引行走的距离与速度.采煤机行走２４中国煤炭第４６卷第５期２０２０年５月采用齿轮与齿轨啮合的方式,使得采煤机工作面位置检测有较高的精度和长期稳定性,从而大大降低检测传感器对位置同步清零装置的依赖性.该传感器较为精密,在安装使用及检修过程中应注意其保护罩、连接电缆是否完好.检测信号出现输出异常时,应首先检查传感器连接电缆状况以及传感器的驱动轴套与行走驱动轮之间的连接固定是否牢靠. 机身两维倾斜传感器被集成到位于电控箱内的模拟量混合输入模块内部,为了保证一定的测量精度, 模块出厂前相关传感器都经过适当的校准.模拟量混合输入模块的安装和更换都必须小心,注意其安装方向与位置与整机出厂安装状态一致[ ２－３]. ３采煤机记忆截割系统运行模式与状态３ 􀆱 １系统运行模式采煤机记忆截割系统的运行控制模式主要有人工操作模式、学习模式、自动截割模式３种工作模式,现场操作过程中,３种工作模式可自由进行切换. １人工操作模式.在该模式下,司机手动控制采煤机截割高度、牵引速度及方向. ２学习模式.在该模式下,司机人工操作采煤机进行煤壁截割和牵引行走,记忆截割系统软件记录并存储工作过程中的机器所有相关运行数据和状态变量. ３自动截割模式.该模式是一个对学习模式运行下的数据进行重复再现的过程,同时在自动截割过程中通过机身装有双轴倾角传感器,收集采煤机在工作面走向和纵向倾角的变化,并通过计算机进行计算自动修正滚筒位置.该模式可以启动的前提条件为已经学习完成的工艺数据,采煤机屏幕显示 “ 进入自动操作允许区” . ３ 􀆱 ２系统运行状态在采煤机记忆截割系统中,截割与牵引方向的基本配合关系为在双滚筒采煤机工作过程中,牵引前进方向的摇臂滚筒简称为 “ 前滚筒”用于割顶,而牵引方向后部的摇臂滚筒简称为 “ 后滚筒”用于割底.需要注意的是在进行记忆学习时,每次需要行走换向时必须先停止牵引,然后根据下一步将要运行的方向将前后滚筒高度调整到位后,再按所需方向启动牵引.如果不按此要求操作,会导致采高数据记忆错误,在后续自动截割过程中出现采高控制异常[ ４－５]. 系统在学习模式阶段主要是存储工作面顶部和底部高度变化曲线以及行走的最大和最小位置.系统提供一个参数可配置的工序指令表,该指令表定义进行一个完整的循环所需要的工序步骤以及每一步的区段位置、摇臂与牵引方向的对应关系[ ３－６]. 系统成功进入自动模式后,将按该工序指令表的定义顺序进行所有操作,并在完成当前循环后重复进行.在进行记忆截割运行过程中,可能存在下述一些运行状态. １人工中断状态.在自动操作模式运行过程中,司机发现特殊情况临时中断禁止机器某些动作的自动运行,人工干预或修正采煤机的运行数据采高、速度等 ,通过特殊区域或退出中断状态后可恢复到自动重复运行状态. ２在线学习修改状态.与中断状态类似,在自动运行中司机人工干预或修正机器的运行,但改变后的机器运行数据将被存储到相应的学习记录存储器,在下次自动操作模式中,采用最近修改过的学习记录. ３截割高度外延控制状态.在自动控制模式下,如果某一截割滚筒从有记忆数字设置的区域进入了无有效数据的区域,则该滚筒的截割高度控制进入自动外延状态,即其采高将保持最后一个有效记录所设置高度,直到该滚筒进入有效控制区取得新的有效数据.其间,司机可以自由手动调节其高度. ４错误模式状态.系统自动运行中出现不可自动恢复的故障或数据错误,系统进入该模式进行报警输出,并根据错误性质停止牵引,等待司机进行确认复位系统复位 .可导致进入该模式的常见故障和错误有从人工操作模式进入学习或自动控制模式后,检测到煤机位置传感器异常;在学习或自动控制模式中发现有采高传感器异常;历史数据或编程参数异常[ ５]. ５存储器清除模式状态.在牵引停止的人工操作模式下可以选择进入该模式,在该模式下用户可以选择将以前的学习记忆的数据全部清除,格式化存储器为开始全新的数据记录作准备. ４采煤机记忆截割系统操作在需要采煤机进行记忆截割前,首先保证采煤机储存刀完成截割数据,在采煤机记忆截割系统进入前,首先进行学习模式,经过一个完整的学习后３４采煤机记忆截割系统的研究与应用方可进入记忆截割操作. ４ 􀆱 １进入学习模式在进入新的学习模式之前,需要清除之前记录的学习数据,对存储器进行格式化清除操作.通过显示控制键盘进入自动操作功能显示界面,确认当前存储器的状态.一般存储器有未初始化、格式化后空白以及记录有效有学习记录,同时显示初始学习记录的日期,学习记录的起始和结束位置３种状态.启动进入通常的人工操作状态后,通过显示按键,进入到自动操纵状态画面,按屏幕上的提示,通过无线电遥控发射机上特殊功能组合键 “ F ２＋”选择菜单,进行存储器的格式化清除操作.进入学习过程前,要求相应的记忆存储器为格式化后的空白状态可以通过参数配置,选择每次进入学习模式前自动格式化,以清除存储器中已有记忆数据 . ４ 􀆱 ２学习模式操作４ 􀆱 ２ 􀆱 １学习模式启动可以通过无线电遥控器发射机 “F ２＋”选择菜单见命令说明或顺槽上位控制计算机发出相应命令进入学习模式.只有在系统行走位置传感系统、采高传感系统和牵引系统均无故障的前提下才能进入到学习模式,否则采煤机记忆截割控制系统会锁定到报错警告状态.如果选择进入学习模式, 只有牵引系统启动并且有方向指令后,学习记忆过程才会真正开始.如果记忆存储器处于格式化后的空白状态,可以在人工操作模式下正常牵引的行走过程中,随时通过遥控器发射机上的特殊功能组合键 “ F ２＋”选择菜单,直接进入学习模式开始一个学习过程.学习记忆的内容包括采煤机在工作面的位置、牵引速度、方向、截割顶板和底板的高度、机身两维倾斜以及部分隐含状态关系.采煤机记忆截割学习模式界面如图２所示. ４ 􀆱 ２ 􀆱 ２学习循环深度采煤机记忆截割系统中引入了一个循环深度层数的概念.循环深度层数简单来讲,指完成一个完整的工作面截割循环记录轨迹中牵引方向给定改变的次数.开始一个新的循环学习记忆后,每次司机改变牵引方向给定,记忆循环深度层数会加１.一个正常的学习记忆过程,记忆循环深度层数不允许超过３０. ４ 􀆱 ２ 􀆱 ３牵引过程暂停在学习过程中,如果司机停止采煤机牵引,单独进行摇臂调高比如在端头支架处 ,则程序暂停采高学习,等待牵引的重新启动后,记录两摇臂的高低状态关系. 图２采煤机记忆截割学习模式界面４ 􀆱 ２ 􀆱 ４截割高度记忆重复在行走过程中,学习记录截割高度为顶板前滚筒高度和底板后滚筒截割高度,对于牵引的同一个位置,如果两次或多次截割高度不一致, 则记录最后一次司机给定的高度.当采煤机牵引速度绝对值小于最小记录限定速度默认设置为０ 􀆱 ３m/m i n时,司机对采高的调整过程数据将不会记录,这主要是为了能够正确记录斜切和抹三角煤过程中,正确存储工作面断面高度. ４ 􀆱 ２ 􀆱 ５学习过程的结束司机可以通过发特殊牵引停止命令 “ F ２＋减速”人工结束当前学习过程,也可由内部软件自动判断何时结束当前学习过程.如果学习过程中出现重载反牵,反牵过程不会被记录,但是如果学习记忆过程中出现过载、过热等保护停止或主控系统进入故障锁定状态,学习过程会被强制结束. ４ 􀆱 ３进入自动截割模式在内部程序的控制下,机器按照之前学习的参数过程自动重复牵引与截割称为自动截割.进入自动截割模式的前提条件为一是系统检测到存储器中有相应的学习记录数据;二是采煤机进入到有学习记录对应的工作面位置;三是系统中采高与位置传感器正常,不存在影响牵引的故障[ ４－５]. ４ 􀆱 ４自动截割模式操作４ 􀆱 ４ 􀆱 １自动截割模式启动在手动操作模式下,司机可以通遥控器按键组合 “ F ２＋”选择菜单或通过顺槽上位机发送命令, ４４中国煤炭第４６卷第５期２０２０年５月使其进入自动操纵状态.只有在采煤机进入或停止在之前开始学习的区域内时,才能进入自动操作模式,否则系统将进入一种等待进入状态.在检测到采煤机已经位于之前开始学习的区域后,采煤机牵引将先自动停止,如果找到相应的记忆数据,则读出相应的记录数据,按记录执行相应的牵引和截割,自动操纵软件将搜索记忆截割存储器,寻找其中可应用到当前牵引位置状态的运行关键参数.自动截割模式启动必须满足２个条件一是已经学习完成具有完整的循环深度;二是采煤机屏幕显示 “ 进入自动截割允许区” .记忆截割学习完毕启动自动截割界面如图３所示. 图３记忆截割学习完毕启动自动截割界面４ 􀆱 ４ 􀆱 ２溜车处理在自动截割模式启动后,如果由于机器惯性等原因,运行中发现其位置飘移到了无有效操作记录的位置,系统软件将首先按原来牵引的方向横向搜索最近的有效记录位置,如果在附近０ 􀆱 ５m位置范围内未发现有效记录,则进入下一个循环层进行搜索,如果仍然没有发现有效记忆数据,则报故障并退出自动操作模式.如果发现有效记录,则软件将按该有效记录进行操作. ４ 􀆱 ４ 􀆱 ３自动截割模式退出司机可以通过遥控发射机上的 “F ２＋运停” 这一特殊的按键组合或通过顺槽上位机发送命令, 使其退出自动操作模式,这时机器将停止自动牵引和调高,并进入手动操作模式.在自动截割中可采用 “ F ２＋加速”这一组合键暂定自动截割. ４ 􀆱 ４ 􀆱 ４在线学习在自动截割模式中该状态为中断模式的扩展中断后的人工操作状态及结果可被记录 ,当机器进入自动截割模式工作时,司机可以通过遥控发射机上的 “ F ２＋加速 ”选择菜单或远方指令,启用在线学习功能.在自动截割模式下,在线学习记忆的内容包括司机对两侧摇臂采高的调整以及满足条件的牵引过程的记录.牵引过程的在线学习记录功能只针对自动截割过程中牵引速度改变和人工操作牵引进入当前循环层中未曾进入过的区域时的速度方向.需要注意的是,在线学习模式不能改变记忆的循环深度尤其是端头斜切或反向割三角煤的次数 ,如果需要改变记忆循环深度,只能清除存储器后,开始一个全新的学习过程[ ７].司机可用遥控发射机上的 “ F ２＋减速 ”选择菜单结束在线学习模式. ５采煤机记忆截割系统应用５ 􀆱 １使用现状２０１９年１２月,采煤机记忆截割系统在国家能源集团宁夏煤业集团枣泉煤矿２２０７０４综采工作面投入使用,截至２０２０年４月,实现了自动截割工作面推进６４０m,累计回采原煤７３万t,采煤机记忆截割系统运行良好.２２０７０４综采工作面采煤工艺为采用下行割煤、返机清浮煤的单项割煤采煤工艺,机头、机尾三角煤当煤壁割透后均采用清理浮煤２次的工艺.工作面设定位置时将中部槽位置设定为O点位置,机头的数值采用负值,机尾数值为正值.在采煤机记忆截割系统中,学习模式下示范刀的工程质量决定了整个工作面的自动截割的效果.对于一个高质量的示范刀有以下要求一是在进行示范刀学习的时候所处的地质条件要趋近于常态化,在学习时要保证工程质量;二是在确保正常截割的前提下,机头机尾浮煤清理彻底,循环深度要尽可能的降低;三是在每一个循环深度中,在示范刀学习时采煤机司机操作的动作要尽可能少,这样才能在自动截割过程中保证学习模式中各项参数和动作的正常触发运行. ５ 􀆱 ２循环深度通过不断的学习改进,国家能源集团宁夏煤业集团枣泉煤矿２２０７０４综采工作面现场已找到适合自身的循环深度.采取在中部进入学习的模式,在采煤机下行割煤开始学习,循环深度中第一工艺段为０段,经过学习整体的工艺段分为０１０共计１１个.偶数工艺段均为下行采煤机向左下行的方向,奇数工艺段均为向右向上的工艺段.机头工艺段０为机头割顶煤,工艺段２为机头割底煤,工艺段４为机头清理浮煤.到机尾时工艺段５为割机尾５４采煤机记忆截割系统的研究与应用顶煤,工艺段７为机尾割底煤,工艺段９为机尾清理浮煤.其余的工艺段作为采煤机变方向的一种记忆.工作面采煤机行走最长的距离为工艺２的最大距离到工艺７的最大距离为２７２ 􀆱 ６１m.采煤机记忆截割循环工艺如图４所示. 图４采煤机记忆截割循环工艺６结语随着采煤机记忆截割系统的推广使用,不仅可以大大提高综采工作面的生产效率,而且可以大大提高现场的安全性.随着技术的进步,可以看到记忆截割面临的、待解决的问题还有很多,需要不停地摸索与研究.下一步,要实现采煤机自动截割自适应技术,根据综采工作面实际开采环境及工艺, 通过智能传感器反馈及时修正自动截割数据,实时适应开采条件.通过提前测量煤层的厚度,探测煤炭的硬度、顶底板条件等参数提前计算出采煤机左右滚筒下一刀的采高轨迹,并实时传送给采煤机进行自动截割编辑.相信这一技术的突破发展为推动煤炭机械自动化、智能化提供更大的助力. 参考文献 [ １] 毛志冬􀆱采煤机记忆截割控制系统研究 [J]􀆱科技与创新,２０１５, ２２１１９－１２１ 􀆱 [ ２] 杨永􀆱采煤机记忆截割设计 [J]􀆱煤炭技术, ２００９,２８１２１５－１６ 􀆱 [ ３] 徐刚􀆱综采工作面配套技术研究 [J]􀆱煤炭学报, ２０１０,３５１２２３－２５ 􀆱 [ ４] 徐志鹏,王忠宾,米金鹏􀆱采煤机自适应记忆切割 [ J]􀆱重庆大学学报,２０１１,３４４１３４－１４０ 􀆱 [ ５] 姚美琴􀆱采煤机滚筒高度记忆控制系统研究 [J]􀆱 山西煤炭,２００４６３０－３１,４７ 􀆱 [ ６] 范洪斌􀆱采煤机记忆程控滚筒调高控制策略分析 [ J]􀆱科技传播,２０１０１１１４４１４６ 􀆱 [ ７] 刘阔􀆱采煤机记忆截割的轨迹拟合 [J]􀆱煤矿机电,２００８３４４－４５ 􀆱 作者简介任予鑫１９８５－, 男, 宁夏石嘴山人, 硕士研究生, 工程师, 现任国家能源集团宁夏煤业公司枣泉煤矿采煤副总兼调度室主任, 主要研究方向为智慧矿山关键技术研究与应用.E Ｇ m a i lr y x y j ＠１６３． c o m. 责任编辑路强６４中国煤炭第４６卷第５期２０２０年５月