綜采工作面液壓支架集控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

侯 磊

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司伯方煤礦，山西 晉城 048000）

引言

隨著煤炭工業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)煤礦井下機(jī)械的自動(dòng)化要求也越來(lái)越高，綜采工作面的自動(dòng)化集約控制是實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效生產(chǎn)的一個(gè)重要方面。我國(guó)井下液壓支架控制主要集中在成組和手動(dòng)控制上，液壓支架的自動(dòng)控制技術(shù)目前還需要進(jìn)一步研究完善。因?yàn)楝F(xiàn)階段我國(guó)的國(guó)產(chǎn)液壓支架控制系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程中仍存在系統(tǒng)不穩(wěn)定、自動(dòng)化程度不高、適應(yīng)性不強(qiáng)等現(xiàn)象，不能滿(mǎn)足我國(guó)煤礦開(kāi)采地質(zhì)條件比較復(fù)雜的要求，所以沒(méi)有在全國(guó)范圍內(nèi)推廣使用。目前國(guó)內(nèi)井下主要采用國(guó)外進(jìn)口的綜采工作面液壓支架控制系統(tǒng)，但由于價(jià)格昂貴制約著我國(guó)井下高產(chǎn)高效工作面的普及和發(fā)展［1］。井下無(wú)人值守綜采工作面實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是液壓支架集控系統(tǒng)，該系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)煤炭生產(chǎn)高產(chǎn)高效的核心。所以，研究開(kāi)發(fā)綜采工作面液壓支架集控系統(tǒng)對(duì)于我國(guó)煤礦機(jī)械化的發(fā)展是極具價(jià)值的［2］。

1 液壓支架集中控制系統(tǒng)

1.1 組成結(jié)構(gòu)

該液壓集成控制系統(tǒng)是以雙RS485總線為基礎(chǔ)，由頂板壓力、位移傳感器、支架間距、端頭控制器、紅外接收器及本安型計(jì)算機(jī)組成的一種多機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

圖1 綜采工作面液壓支架集控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

綜采工作面液壓支架集控系統(tǒng)的基礎(chǔ)是間架控制器。它不僅可以將液壓支架運(yùn)行狀態(tài)與采煤機(jī)的位置通過(guò)紅外傳感器、位移傳感器和壓力傳感器采集并傳輸?shù)蕉祟^控制器，而且還可以對(duì)液壓支架實(shí)現(xiàn)成組控制和鄰架控制。

端頭控制器安裝在工作面的兩端，在作業(yè)過(guò)程中，有兩條RS485總線進(jìn)行工作，一條RS485總線主要負(fù)責(zé)對(duì)工作面每架支架作業(yè)過(guò)程中的各種參數(shù)及采煤機(jī)的運(yùn)行位置進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，并將信息實(shí)時(shí)傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析，及時(shí)為工作面正常運(yùn)行提供保障；另一條RS485總線通過(guò)對(duì)收集到的參數(shù)進(jìn)行分析，確定工作面采煤機(jī)的實(shí)時(shí)位置，并通過(guò)總線將命令傳遞給液壓支架架間控制器，從而達(dá)到控制液壓支架與采煤機(jī)相互配合作業(yè)的目的，完成工作面的自動(dòng)化作業(yè)，降低人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。工作面自動(dòng)控制系統(tǒng)的防爆計(jì)算機(jī)安裝在工作面巷道控制硐室內(nèi)，防爆計(jì)算機(jī)可以對(duì)端頭控制器收集過(guò)來(lái)的液壓支架工作狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)顯示。

1.2 端頭控制器

在工作面液壓支架集控系統(tǒng)中，端頭控制器需要對(duì)液壓支架的各項(xiàng)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行收集，同時(shí)還需要對(duì)支架的各項(xiàng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制。由于單個(gè)CPU不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)性檢測(cè)控制，因此該控制器采用雙CPU的設(shè)計(jì)方案。其中，巡檢CPU的作用是收集工作面的各項(xiàng)參數(shù)，主控CPU通過(guò)接收計(jì)算機(jī)發(fā)出的各種命令及巡檢CPU所收集的采煤機(jī)作業(yè)位置的各種參數(shù)，并對(duì)工作面支架實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，所用CPU均由SPI接口進(jìn)行連接且進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。兩個(gè)CPU可以同時(shí)與間架控制器實(shí)現(xiàn)通信，通過(guò)SPI口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，提高集控系統(tǒng)的高效率運(yùn)行，端頭控制器示意圖如圖2所示。

圖2 端頭控制器連接示意圖

1.3 集控通信設(shè)計(jì)

由于煤礦工作面作業(yè)環(huán)境差、煤塵大、濕度大、干擾電磁能力強(qiáng)，因此通訊系統(tǒng)必須有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力，在設(shè)計(jì)中選用RS485通信系統(tǒng)，通過(guò)工業(yè)應(yīng)用實(shí)踐表明：此系統(tǒng)抵抗電磁干擾的能力強(qiáng)，適應(yīng)煤礦井下的惡劣作業(yè)環(huán)境，連接示意圖如圖3所示。該系統(tǒng)選用MAX3088芯片，芯片通信節(jié)點(diǎn)多，通信效率高，通信可靠。通過(guò)光電耦合器將CPU的信號(hào)與通信的電路進(jìn)行隔離，既可以對(duì)CPU進(jìn)行保護(hù)，又可以順利實(shí)現(xiàn)通訊系統(tǒng)與CPU兩者之間的電平轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)中使用Modbus通信協(xié)議，使得端頭控制器與液壓支架架間控制器聯(lián)系起來(lái)組成多機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)。

圖3 通信接口設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

2 液壓支架集中控制模型建立

液壓支架集中控制就是通過(guò)采煤機(jī)的紅外線位置信號(hào)及運(yùn)行位置，對(duì)相應(yīng)的工作面液壓支架發(fā)出命令，配合采煤機(jī)進(jìn)行割煤，從而完成整個(gè)循環(huán)作業(yè)，如圖4所示。

圖4 液壓支架集中控制模型

3 集中控制軟件設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

在該控制系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，端頭控制器接收計(jì)算機(jī)發(fā)出的集控指令、采煤機(jī)位置參數(shù)及支架的各種工作參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上用于判斷支架的工作運(yùn)行參數(shù)是否符合要求，經(jīng)計(jì)算機(jī)判斷后，若各種參數(shù)正常，則向間架控制器發(fā)出命令，配合采煤機(jī)割煤。若判斷液壓支架發(fā)生故障，則迅速發(fā)出信號(hào)，且將液壓支架的故障信息顯示到控制系統(tǒng)的顯示屏上，以便安排維修人員進(jìn)行維修作業(yè)。計(jì)算機(jī)指令及端頭控制流程如圖5、下頁(yè)圖6所示。

圖5 防爆計(jì)算機(jī)向端頭控制器發(fā)送集控指令流程

4 結(jié)語(yǔ)

圖6 端頭控制器集控流程

通過(guò)對(duì)綜采工作面液壓支架集控要求分析，根據(jù)工作面生產(chǎn)工藝流程，提出綜采工作面液壓支架集控策略，設(shè)計(jì)液壓支架集控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確的集中控制液壓支架，對(duì)實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效綜采工作面具有重大意義。

［1］ 李磊，宋建成，田慕琴，等.基于DSP和RS485總線的液壓支架電液控制通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2010，35（4）：701－704.

［2］ 李文華.一種液壓支架端頭控制器通訊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］電氣傳動(dòng)，2010，40（9）：58－61.

［3］ 陳特效，袁雄兵，龔志鵬，等.基于MVB的機(jī)車(chē)邏輯控制單元［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2008，16（7）：976－979.