煤礦綜采工作面液壓支架電液控制技術(shù)的發(fā)展及應用

宋單陽，宋建成，田慕琴，許春雨，宋 鑫，李新勝

(太原理工大學 礦用智能電器技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，煤礦電氣設備與智能控制山西省重點實驗室，太原 030024)

液壓支架是用于采煤工作面頂板支護的設備，在現(xiàn)代化采煤工作中起著極其重要的作用，該設備的誕生極大地提高了采礦業(yè)的工作效率和安全水平。液壓支架誕生于20世紀50年代的英國[1]，經(jīng)歷了垛式、節(jié)式、掩護式、支撐式等不同的發(fā)展階段，目前支撐掩護式支架應用較多，特別是在煤礦綜采工作面中[2]。

液壓支架工作時需要復雜的獨立控制功能和相互之間的協(xié)調(diào)控制技術(shù)。每臺支架都擁有十余個動作，最初每組動作都由手動液壓閥來控制，但是這種控制方式很難滿足生產(chǎn)效率和日益提高的安全性技術(shù)要求。液壓支架電液控制技術(shù)就是在這種背景下逐漸發(fā)展起來的，并且從簡單的鄰架控制，迅速向全工作面的自動化集中控制進步。液壓支架電液控制技術(shù)同樣起源于最早開發(fā)液壓支架的英國，并很快在歐洲、美洲、澳大利亞等世界上許多的國家和地區(qū)獲得了巨大的發(fā)展和應用。

現(xiàn)代液壓支架電液控制技術(shù)，是一個集機械、液壓、電子、計算機和信息網(wǎng)絡諸多關(guān)鍵技術(shù)為一身的高技術(shù)體系，具有控制效率高、動作精度高、安全系數(shù)高等特點，并且特別適合于綜采工作面自動化作業(yè)的實施；相比于傳統(tǒng)控制方式，電液控制能大大提高自動化程度，進而提高生產(chǎn)效率；對于液壓支架系統(tǒng)來說，也只有電液控制技術(shù)才能實現(xiàn)支架的快速、精確、高效、安全控制。并且，液壓支架電液控制技術(shù)已經(jīng)不局限于控制液壓支架本身的動作，而是集信息采集和反饋為一體，并且承擔起了采煤機、刮板輸送機、液壓支架等設備協(xié)同工作的控制功能，成為無人值守工作面自動化生產(chǎn)作業(yè)中，協(xié)調(diào)整套設備系統(tǒng)非常重要的一環(huán)[3]。無論從當前還是長遠來看，集諸多優(yōu)點于一身的電液控制技術(shù)都擁有著良好的發(fā)展和應用前景，加快發(fā)展液壓支架電液控制技術(shù)是無人值守或少人值守工作面自動化采煤的必然選擇；同時，無人值守全工作面自動化生產(chǎn)技術(shù)也是電液控制技術(shù)的主要發(fā)展方向。

1 電液控制技術(shù)發(fā)展歷程

1.1 國外的發(fā)展歷程

20世紀50年代，英國研制出了世界上第一臺垛式液壓支架。到了20世紀70年代，隨著液壓支架動作功能的增加、動作速度的提高和動作安全性要求的提升，對液壓支架電液控制的研究開始集中涌現(xiàn)；1981年，英國道梯公司首先研發(fā)出了第一套成熟的液壓支架電液控制系統(tǒng)，并應用于澳大利亞科里曼爾煤礦長壁綜采工作面；1985年該公司研發(fā)出了第二代電液控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在運輸巷內(nèi)布設了主控制臺，通過通訊電纜完成對各支架控制器的尋址，實現(xiàn)了全工作面支架的集中控制。

同一時期，德國、美國等發(fā)達國家也紛紛意識到液壓支架電液控制技術(shù)的巨大優(yōu)越性和發(fā)展?jié)摿Γ_始集中力量開展相關(guān)研究。德國威斯特伐利亞公司與西門子公司聯(lián)合研制的Panzermatic-E系統(tǒng)，是德國第一套達到實用并推廣應用的液壓支架電液控制裝置，該系統(tǒng)能夠分組顯示液壓支架的相對位置和故障，顯示系統(tǒng)的運行參數(shù)，如降柱時間、分組架數(shù)、采煤機相對位置及其行程，并能用鍵盤輸入某些運行參數(shù)；1987年德國威斯特伐利亞公司又和Macro公司合作研發(fā)出了PM2型電液控制系統(tǒng)，應用于德國魯爾礦區(qū)，該系統(tǒng)率先實現(xiàn)了總線方式的急停，使得系統(tǒng)對急停功能的響應速度大大提高[4]。70年代到80年代末這一時期，電液控制系統(tǒng)的特點是功能比較簡單，穩(wěn)定性不高，各公司的產(chǎn)品都處于不斷升級改造、逐步完善的階段，屬于電液控制技術(shù)的初步發(fā)展時期。

20世紀90年代以來，隨著電子技術(shù)、控制理論、計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，電液控制技術(shù)的水平獲得了大幅提高[5]。1990年威斯特伐利亞和Macro公司推出了PM2型系統(tǒng)的演化升級型號PM3型，PM3型電液控制系統(tǒng)在技術(shù)上已相當成熟可靠，在世界范圍內(nèi)得到了推廣應用；該型號之后發(fā)展出兩個分支，即：由Macro公司推出的PM31型，和現(xiàn)屬于德國DBT公司旗下的PM4型。這兩種產(chǎn)品都具有很高的可靠性，能夠兼容多種類、不同廠商的傳感器，適用條件比較廣泛，信息采集功能也十分完善。因此，直到21世紀初葉，這兩個型號的產(chǎn)品以及與其具有相似特點的美國JOY公司的RS20型、德國EEP公司的PR116型、德國迪芬巴赫公司的ASG5型成為了世界上的主流液壓支架電液控制器產(chǎn)品，它們奠定了這類產(chǎn)品的基本形態(tài)。

20世紀90年代到21世紀初的這一時期，電液控制技術(shù)有了長足的進步，應用規(guī)模大大擴展。以美國為例，截止到1994年，美國81個綜采工作面有73個配備了了電液控制系統(tǒng)，比例超過90%；到1996年該比例上升至92.7%.

1.2 國內(nèi)的發(fā)展歷程

與世界上其它發(fā)達國家不同，我國在液壓支架及其電液控制技術(shù)方面的研究起步較晚，經(jīng)歷了引進吸收、合作開發(fā)到自主研究的發(fā)展過程。

我國于20世紀70年代末開始引進英國、德國較為先進的液壓支架和綜采設備，80年代中期開始自主研究電液控制技術(shù)，但初期收效并不顯著[6]。1991年北京煤機廠研制出BMJ-Ⅰ型電液控制系統(tǒng)，鄭州煤機廠研制出DYZK-Ⅰ型電液控制系統(tǒng)，后者在大同四臺礦完成20架井下工業(yè)性試驗；1993年9月鄭州煤機廠在I型的基礎(chǔ)上開發(fā)出DYZK-Ⅱ型支架電液控制系統(tǒng)，在邢臺煤礦進行了井下工業(yè)性試驗并通過鑒定；1996年煤炭科學研究總院太原分院研制出了YLT型支架電液控制系統(tǒng)，在大同礦務局馬脊梁礦進行了國內(nèi)第一個全套工作面井下工業(yè)性試驗并通過鑒定，又于1998年在東勝補連塔煤礦進行了16架試驗。

以上國內(nèi)早期研制成功的電液控制產(chǎn)品，能夠?qū)崿F(xiàn)鄰架單動作和成組動作程序控制，具有急停、報警等必要安全功能[7]，但是通訊距離和穩(wěn)定性普遍不高，受基礎(chǔ)工業(yè)水平和企業(yè)管理水平制約，基本元件和批量產(chǎn)品的可靠性比較低，因此在大范圍推廣上受到了影響。

2008年3月鄭州煤機廠最新研制的電液控制系統(tǒng)通過國家試驗檢測中心的測試認證，獲得相關(guān)安標證書，標志著我國電液控制系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)開始走向成熟；鄭州煤機集團研發(fā)的電液控制產(chǎn)品，具有6路信號采集功能，20路開關(guān)量輸出功能，能夠和其生產(chǎn)的液壓支架更好的配合，通訊系統(tǒng)則采用冗余雙總線結(jié)構(gòu)，還具有中、英、俄三種語言顯示的功能特點。同年，天地瑪珂公司在引進德國Macro公司PM31系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，研發(fā)出SAC型液壓支架電液控制系統(tǒng)，于2008年底通過成果鑒定，形成了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的成果[8-9]，正式彌補了我國在這一領(lǐng)域的空白。該系統(tǒng)采用先進的嵌入式控制技術(shù)，使用國際標準的CAN總線建立通信系統(tǒng)，采用人機操作界面分離，驅(qū)動電路合一的獨特結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)具有抗干擾能力強、性能可靠、使用方便等特點，其部分技術(shù)已達到或超過世界先進水平。

在煤礦綜采自動化技術(shù)發(fā)展需求的驅(qū)動下，國內(nèi)陸續(xù)涌現(xiàn)了多家研究單位。除鄭州煤機液壓電控有限公司和北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司外，寧波長璧流體動力科技有限公司、四川航天電液控制有限公司和太原理工大學等單位都對電液控制技術(shù)展開了深入的研究，促進了電液控制技術(shù)的不斷發(fā)展。

寧波長壁流體動力科技有限公司研發(fā)的產(chǎn)品采用分離式結(jié)構(gòu)，主體人機交互界面具有22個操作按鍵、2×10中文顯示液晶屏和蜂鳴器。它通過外置的紅外接收器接受采煤機位置信息。動作控制信息則由電磁閥驅(qū)動器進行解碼和驅(qū)動。該產(chǎn)品靜態(tài)工作電流不超過150 mA，采用本安防爆設計，擁有良好的節(jié)能和防護性能。

四川航天電液控制有限公司研發(fā)的電液控制系統(tǒng)使用了CANBUS現(xiàn)場總線進行通訊，采用非主-從結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，還配備有無線遙控器。系統(tǒng)含有壓力、位移、雙軸傾角傳感器，均具有良好的測量精度和靈敏度。控制器外殼經(jīng)過了專業(yè)的防水防塵設計，內(nèi)部電路板全部灌封，其防水、防塵、防震、抗干擾性能都處于業(yè)內(nèi)領(lǐng)先地位。

太原理工大學煤礦電氣設備與智能控制山西省重點實驗室、暨礦用智能電器技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室在國家國際科技合作專項項目“煤礦無人值守工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)的研制”和山西省國際科技合作計劃項目“無人值守工作面液壓支架自動追機運行控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)”兩大項目的聯(lián)合資助下，研制出了ZDYZ型電液控制系統(tǒng)[10]。該系統(tǒng)功能齊全[11]，技術(shù)先進，系統(tǒng)可以采集液壓支架的狀態(tài)信息[12]并實現(xiàn)這些信息的上傳和集中管理[13]，進而據(jù)此完成自動制導和集中控制[14]；該系統(tǒng)還具有通用性強，組成靈活度高的優(yōu)點，能夠?qū)Χ鄠€廠家的不同規(guī)格傳感器[15]、電磁先導閥實現(xiàn)完全兼容，最大限度降低工作面綜采設備的配合難度。系統(tǒng)在開發(fā)過程中，采用了產(chǎn)學研結(jié)合的方式，經(jīng)過前后多次的井下試驗和生產(chǎn)運行，針對我國煤礦的特點和井下工人的使用習慣[16]，進行了數(shù)次技術(shù)升級[17]，形成了具有國際先進水平的電液控制技術(shù)[18-19]。2013-2016年期間，該系統(tǒng)在晉煤集團古書院礦152304，152308等6個工作面先后應用，取得了良好的效果；2016年又與多個單位達成了應用協(xié)議。

天地瑪珂公司SAC系統(tǒng)和太原理工大學ZDYZ系統(tǒng)實現(xiàn)了國產(chǎn)液壓支架電液控制系統(tǒng)向國際先進水平的飛躍。但是近年來，電液控制技術(shù)的發(fā)展重心已經(jīng)轉(zhuǎn)變，不再是基礎(chǔ)功能而是向著高可靠性、全自動化、強智能化方向發(fā)展。波蘭DOH公司推出的DOH-Matic電液控制系統(tǒng)，除能實現(xiàn)自動化移架推餾外，還可檢測到工作面其它設備，包括采煤機、刮板機、乳化液泵站、組合開關(guān)等的工作狀態(tài)[20]，并具有狀態(tài)評估和一定的故障診斷定位功能，該系統(tǒng)還配有無線壓力傳感器。EEP公司的PR400系列控制器，將人機交互界面和控制單元分開成為2個獨立的模塊，通過通訊電纜連接；PR500在PR400的基礎(chǔ)上削減了部分功能，保留了傳感器和紅外功能的前提下，將體積縮減到了20 cm×10 cm×10 cm以內(nèi)，僅為傳統(tǒng)產(chǎn)品的1/4.可以肯定，國產(chǎn)控制器在可靠性和高端功能方面依然有追趕的空間。

2 電液控制技術(shù)研究現(xiàn)狀

現(xiàn)階段對電液控制技術(shù)的研究，主要集中在控制方法、控制系統(tǒng)硬件和自動化及其它高端功能的研究方面。

2.1 控制技術(shù)

液壓支架電液控制技術(shù)根據(jù)使用位置和控制功能劃分，包括了鄰架先導控制技術(shù)、成組控制技術(shù)、端頭集中控制技術(shù)和順槽計算機集中控制技術(shù)4部分。

2.1.1 鄰架先導控制技術(shù)

鄰架先導控制技術(shù)是為了杜絕本架控制帶來的危險性，也為了擺脫鄰架手動控制液壓管路異常繁瑣的情況而出現(xiàn)的一種控制技術(shù)，是最原始的電液控制技術(shù)。鄰架先導控制技術(shù)就是采用電子技術(shù)，通過本架的控制器來控制鄰架的電磁先導閥或伺服電機閥，來驅(qū)動液壓主閥動作。該技術(shù)是在鄰架手動控制的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的，技術(shù)上采用電信號和電磁先導閥代替了手動控制的液壓閥[21]。

鄰架先導控制的發(fā)展初期，電液控制系統(tǒng)的物理組成就是多臺電液控制器和電磁先導閥，每臺控制器可以看作是一個單獨的個體，控制器之間雖然有電纜連接但是卻沒有信息交換[22]。控制器除了鄰架控制外沒有其它功能。這種控制器工作時不需要傳感器等其它設備配合，只通過電纜傳輸電信號即可，其內(nèi)部控制芯片一般采用PLD或FPGA芯片，而沒有用到強大的微處理芯片。

鄰架先導控制技術(shù)雖然簡單，但是極大降低了井下工人的勞動強度，提高了控制精度，還保證了作業(yè)安全性，是電液控制技術(shù)最基本的功能。

2.1.2 成組控制技術(shù)

一個工作面通常擁有80～150臺液壓支架，除機頭和機尾彎區(qū)段外其余支架的動作都是相近的簡單重復。為提高控制效率，在電液控制技術(shù)中增加了成組控制技術(shù)[23]。

成組控制技術(shù)是指通過一臺控制器控制一組若干臺控制器進行一個或一系列有規(guī)則的動作，它可以控制一組支架按照設定程序有序動作。這種控制技術(shù)要求控制器與控制器之間采用通信電纜相連接，實現(xiàn)控制信號的傳遞[24]。

成組控制技術(shù)出現(xiàn)的背景是通信技術(shù)的發(fā)展。在這一背景下，通過通信線路將電液控制器連接在一起成為可能，控制器之間可以進行信息交換。簡單的電纜連接就可以傳輸復雜的信號，將各電液控制器連接成為一個整體，形成一個系統(tǒng)。系統(tǒng)通過成組控制技術(shù)，就可以完成成組動作、自動小循環(huán)動作等功能。這種系統(tǒng)可以采用FPGA作為主控芯片，也可以采用具有簡單通訊功能的低功耗單片機，其主頻和運算能力不需要十分強大。出于控制方便，一般在控制器上會裝設顯示屏并配有相對復雜的鍵盤，以完成功能和參數(shù)的設置，完成所有功能的控制[25]。

成組控制技術(shù)的出現(xiàn)使得支架的平均動作時間大大縮短，允許采煤機運行在更高的速度，極大地提高了生產(chǎn)效率。

2.1.3 端頭集中控制技術(shù)

端頭集中控制技術(shù)是為推動工作面少人值守采煤技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的，它是一種能夠統(tǒng)籌整個工作面的控制器工作情況，實現(xiàn)全工藝流程自動化的控制技術(shù)[26]。該功能對通訊系統(tǒng)實時性和可靠性要求更高，對傳感器技術(shù)的穩(wěn)定性和準確性也有很高要求[27]。

端頭控制器是在成組控制的基礎(chǔ)上，為滿足工作面集控模式的需求而出現(xiàn)的。集中控制需要對支架工作狀態(tài)進行監(jiān)測，因此在電液控制系統(tǒng)中加入了傳感器，如壓力傳感器、位移傳感器等。為了支持復雜的控制功能，要求控制器的主控芯片或其外圍功能擴展芯片擁有強大的運算能力、通訊能力、模數(shù)轉(zhuǎn)換能力和輸入輸出能力，通常采用集成了高速UART，ADC，多個I/O口的高主頻單片機。為了滿足通訊需求，控制器通常擁有不止一條通訊信道，根據(jù)需要還會擁有RS485，CAN，IIC等多種通訊模式[28]。特別是對于端頭控制器，其程序復雜程度很高[29]，存儲的參數(shù)眾多，因此通常還會擁有非易失性的外部存儲器[30]。

端頭控制技術(shù)允許將控制工作全部集中到端頭上來，并擁有滿足生產(chǎn)工藝要求的自動控制功能[31]，在進一步提高了控制速度和生產(chǎn)效率的同時，也為自動化控制奠定了基礎(chǔ)。

2.1.4 順槽計算機集中控制技術(shù)

計算機集中控制技術(shù)是端頭集中控制技術(shù)的發(fā)展，相比端頭集中控制技術(shù)其自動化程度和智能程度有了進一步提高，可真正實現(xiàn)綜采工作面的無人值守自動化作業(yè)[32]。

計算機集中控制技術(shù)在電液控制系統(tǒng)中增加了防爆計算機作為端頭控制器的上位機[33]。計算機設置地點在順槽的設備列車，通常與數(shù)塊屏幕、觸控鍵盤、控制臺組合成為順槽集控中心，通過串行接口或以太網(wǎng)與端頭連接[34]。得益于防爆計算機強大的計算能力，電液控制系統(tǒng)中得以接入更多更復雜的傳感器系統(tǒng)[35]、應用更多的先進技術(shù)，系統(tǒng)的運行變得更加高效。傳感器和視頻攝像頭采集到的信息被集中反饋到集控計算機上以顯示設備工況，為系統(tǒng)或工作人員遠程控制提供依據(jù)[36]。而且，電液控制技術(shù)已經(jīng)不再局限于對液壓支架的控制，而是發(fā)展為了包涵采煤機、刮板機、輸送機、液壓支架以及工作面上其它設備的集中控制系統(tǒng)。

計算機集中控制技術(shù)最大限度地降低了支架動作時間，提高了綜采工作面生產(chǎn)效率，同時保證了生產(chǎn)安全。

可以看出，完整的自動化液壓支架電液控制系統(tǒng)應由地面監(jiān)控中心、防爆計算機、端頭控制器、支架控制器、電磁先導閥、液壓主閥和各類傳感器等環(huán)節(jié)[37]共同協(xié)調(diào)配合工作而組成。其系統(tǒng)簡要組成如圖1所示。

圖1 電液控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)Fig.1 Composition of the electro-hydraulic control system

2.2 控制系統(tǒng)硬件

在控制系統(tǒng)的各部分之中，支架控制器處于核心位置，它是控制先導閥、液壓支架動作的直接作用部分，是一切控制命令的實際執(zhí)行者。它還承擔著狀態(tài)信息的采集和上傳，故障信息的分析和檢測等重要任務[38]。

一臺支架控制器的主要硬件由控制/計算單元、信號采集單元、人機交互單元、通訊單元和控制輸出單元組成。

控制/計算單元的核心是單片機或FPGA等邏輯芯片，負責統(tǒng)籌其它各模塊的工作；信號采集單元是一系列接口和采樣、轉(zhuǎn)換電路，其作用是采集傳感器或其它外部信息；人機交互單元包括鍵盤、顯示屏、指示燈等，用于工作人員操作控制器、了解控制器工作狀態(tài)；通訊單元的組成除去通訊線路和通訊模塊外，通常具有隔離耦合元件，以應對井下復雜的電、磁環(huán)境；控制輸出單元用于將微小的電平信號轉(zhuǎn)換為較大的電流信號，以驅(qū)動電磁先導閥，需要具有較大的電流輸出和帶負載能力，因此通常采用場效應晶體管或繼電器元件[39]。

隨著液壓支架電液控制技術(shù)的發(fā)展，控制器產(chǎn)品也不斷進步。性能強大、資源豐富的單片機的應用使得控制器產(chǎn)品設計上能夠更加集約，功能上能夠更加強大；更快速穩(wěn)定的通訊方式改善了信息傳輸?shù)男剩岣吡俗詣踊胶头€(wěn)定性；顯示屏、觸摸功能組成的完善人機交互界面增強了易用性。

現(xiàn)代化的高端控制器使用非常強大的單片機芯片，通常為采用ARM構(gòu)架的產(chǎn)品，這種芯片能夠擁有100 MHz以上的運算速度，同時滿載功耗被控制在0.2 W以下，還擁有電流低于25 μA的低功耗模式。例如Macro公司的最新產(chǎn)品PM32/sg/age型以太網(wǎng)控制器，使用了Atmel公司的SAM4S系列單片機，主頻120 MHz，具有1 024 KB Flash存儲器，用以存放復雜的集控程序。其還擁有豐富的片上資源，可以極大簡化外圍電路，有利于提高可靠性和縮小控制器體積。該型控制器的人機交互界面使用了可觸摸的液晶屏，具有完備的中文顯示功能；同時為了防止誤觸，具有最小有效觸摸壓力設置功能。

該控制器采用以太網(wǎng)進行通訊，通訊速度達100 Mb/s，使之可作為整個工作面的數(shù)據(jù)傳輸和控制平臺，實現(xiàn)綜采設備數(shù)據(jù)傳輸、支架控制、視頻傳輸、環(huán)境監(jiān)測、人員識別、語音傳輸和智能照明七網(wǎng)合一。其配備有PM32/vc/e型井下全景攝像頭，通過適當配置可實現(xiàn)全工作面視頻監(jiān)控；配備有采用RFID協(xié)議通訊的PM32/rc/a型遙控器，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向傳輸功能，三機均可遙控。

PM32/sg/age的這些特性基本代表了現(xiàn)有控制器硬件研究的最高水平。

2.3 自動化及其它高端功能

全工作面無人值守自動化作業(yè)是未來采煤技術(shù)的發(fā)展趨勢，液壓支架電液控制技術(shù)則是工作面自動化控制系統(tǒng)的重要組成部分。同時，全工作面自動化控制系統(tǒng)結(jié)合生產(chǎn)要求對電液控制系統(tǒng)還提出了許多外延功能。

2.3.1 工作面校直找平

工作面三直二平是采煤技術(shù)中提高生產(chǎn)效率、保障生產(chǎn)安全的基本要求，為此需要在電液控制技術(shù)中增加工作面校直和頂板找平功能。

工作面校直功能是利用位移傳感器、紅外/超聲波測距裝置、應力傳感器、激光傳感器等采集信息，獲知液壓支架之間，支架、刮板輸送機、煤壁之間的相對位置，繼而計算出推餾或移架的動作量，從而實現(xiàn)三者的校直[40]。工作面頂板找平功能依賴于傾角傳感器，原理與校直類似，可以實現(xiàn)底板、支架底座、支架頂梁、頂板四者的平行。但是，受到傳感器安裝條件和精度的影響，這2種功能的使用效果都還不夠完善。

2.3.2 采煤機位置識別

采煤機運行位置識別是跟機自動化的基本要求[41]。對于采煤機位置識別技術(shù)的研究，普遍使用了紅外原理，在采煤機上裝設紅外發(fā)射器，利用電液控制器進行接收，從而判別采煤機所處相對位置以及覆蓋液壓支架的范圍大小[42]。這一原理和功能應用效果較好，發(fā)展比較成熟[43]。

但是，紅外線的發(fā)射和接收有時會受人員、線纜、煤塵、污垢遮擋的影響。因此也有采用其它無線方式或在采煤機上設置編碼器進行位置識別的技術(shù)方案[44]。

2.3.3 礦壓監(jiān)測和頂板災害預警

對頂板壓力、運動狀態(tài)、支架工作阻力等礦山壓力特征進行科學觀測和分析，有利于配合采煤工藝達到提高開采安全性和增產(chǎn)增效的目的。得益于遍布整個工作面的液壓支架立柱壓力傳感器，電液控制系統(tǒng)獲取的壓力信息具有很高的參考價值，因此有針對性地開發(fā)出了礦壓監(jiān)測和頂板災害預警功能。

具有該功能的控制系統(tǒng)能夠保存并分析支架壓力的歷史數(shù)據(jù)，對頂板來壓情況進行監(jiān)測和預測，并結(jié)合支架當前撐力和姿態(tài)，對礦壓變化時可能出現(xiàn)的支架失穩(wěn)導致的頂板災害進行預警。不過，目前還很難做到針對不同煤礦、工作面特點進行針對性分析，應用范圍還很有限。

2.3.4 瓦斯突出預警

瓦斯突出是煤礦生產(chǎn)重大安全事故，一旦發(fā)生經(jīng)常造成重大傷亡。而利用電液控制系統(tǒng)對采煤機割煤時的瓦斯?jié)舛冗M行監(jiān)測，能夠?qū)崿F(xiàn)瓦斯突出預警。

電液控制系統(tǒng)可以方便地監(jiān)測整個工作面的參數(shù)，通過在系統(tǒng)中增加相關(guān)傳感器，來監(jiān)測與瓦斯突出有關(guān)的瓦斯涌出量、煤層溫度、特定頻率震動、氦氣/氡氣濃度、電磁輻射強度等指標，根據(jù)指標變化和瓦斯突出預警理論，可以形成瓦斯突出預警能力，來提前防止災害帶來的巨大損失和人員傷亡。

但是，瓦斯突出是一種異常復雜的動力現(xiàn)象，由于煤巖物理、力學性質(zhì)的非線性、巖體破壞形式的多樣性和瓦斯賦存與運移過程中的復雜性，預警理論還不夠成熟，難以做到普遍的適用性。

2.3.5 故障診斷和壽命周期管理

通過檢測液壓支架和液壓管路的壓力、流量、震動情況、應力、形變量等參數(shù)[45]，可以對液壓支架的故障進行提前判斷和預防，并對達到壽命的液壓支架和相關(guān)元件提前進行替換。在電液控制系統(tǒng)中引入液壓支架的故障診斷和壽命周期管理能有效提高生產(chǎn)效率和保障生產(chǎn)安全[46]。

現(xiàn)有的電液控制系統(tǒng)普遍擁有自身錯誤的顯示功能，但是在針對支架的故障診斷和壽命周期管理功能上十分薄弱。這是因為目前缺乏對液壓支架工況參數(shù)進行全面狀態(tài)檢測的手段，以及處理檢測大數(shù)據(jù)的能力。

本文通過對液壓支架電液控制系統(tǒng)產(chǎn)品的研究發(fā)現(xiàn)，對電液控制技術(shù)自動化技術(shù)及相應高端功能的研究已經(jīng)起步，但是由于不同煤礦生產(chǎn)條件差別巨大、配套技術(shù)還不完善等問題，難以形成廣泛的適應性，因此還沒有得到大范圍推廣。

3 電液控制技術(shù)的發(fā)展趨勢

近年來，煤礦生產(chǎn)模式已經(jīng)由粗放型開采模式向大規(guī)模自動化集約型生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變，而在年產(chǎn)千萬t級的大型煤礦建設中，為實現(xiàn)全工作面自動化控制，液壓支架電液控制技術(shù)被提出了更高的技術(shù)要求，要求其必須向著高度智能化和自動化方向發(fā)展，以滿足高產(chǎn)高效、同時保證安全可靠的需求[47]。這些技術(shù)要求包括：在通訊系統(tǒng)和傳感器技術(shù)上更好的與工作面其它設備配合、形成良好的互相感知，更加精確的液壓支架位置和姿態(tài)控制，更快的控制速度，更有針對性的控制策略等。

本文研究認為，要實現(xiàn)上述發(fā)展目標，電液控制技術(shù)就必須吸收新技術(shù)來不斷完善。隨著科學技術(shù)的發(fā)展和新技術(shù)的涌現(xiàn)，根據(jù)煤礦無人值守自動化采煤的具體要求，未來的綜采自動化工作面的電液控制技術(shù)將會與網(wǎng)絡技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能控制技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)融為一體，從而引領(lǐng)電液控制技術(shù)在綜采自動化和智能化領(lǐng)域的發(fā)展潮流。

3.1 網(wǎng)絡技術(shù)

網(wǎng)絡技術(shù)起源于20世紀90年代，發(fā)展到如今，其最重要的應用——互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)無處不在，成為人們工作和生活不可或缺的部分。互聯(lián)網(wǎng)的應用涉及各個領(lǐng)域，并逐漸向著移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，結(jié)合云計算技術(shù)，引領(lǐng)著信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的潮流。

液壓支架電液控制系統(tǒng)要實現(xiàn)高度信息化，同樣需要引入網(wǎng)絡技術(shù)。它能大大擴展電液控制系統(tǒng)的功能[48]。在電液控制技術(shù)領(lǐng)域，以工業(yè)以太網(wǎng)為代表的網(wǎng)絡形式，具有豐富而完備的硬件標準和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，傳輸速率和可靠性也是其它現(xiàn)場總線無法比擬的。在現(xiàn)階段的研究中，以電液控制系統(tǒng)通訊模塊為融合切入點，通過利用網(wǎng)絡技術(shù)，使控制器組成局域網(wǎng)，實現(xiàn)了最大程度上的信息傳輸和交換，從而推動了全工作面視頻監(jiān)控和集中控制技術(shù)的實現(xiàn)，在液壓支架電液控制技術(shù)自動化程度發(fā)展還不夠高的背景下，取得了工作面無人值守和生產(chǎn)安全的平衡，帶來了無人值守采煤技術(shù)的進步。

但現(xiàn)階段液壓支架電液控制技術(shù)對網(wǎng)絡技術(shù)的引入還僅僅停留在信息傳輸層面，沒有完全發(fā)揮出網(wǎng)絡技術(shù)的優(yōu)勢。網(wǎng)絡技術(shù)的應用還應包括計算資源、儲存資源、信息資源的全面共享，和系統(tǒng)中各設備的協(xié)同工作以及任務動態(tài)調(diào)度。利用網(wǎng)絡技術(shù)，才能充分調(diào)動每一臺支架控制器的運算能力和充分利用全部的傳感器信息，增強每一臺控制器在控制過程中的決策能力，減輕端頭主控制器和上位機的工作負擔，改變盲目死板的數(shù)據(jù)上報模式，將整個工作面上的設備統(tǒng)籌為一個有機的整體，從而在有限的計算能力下實現(xiàn)更強大的自動化和智能化控制功能。現(xiàn)階段，不斷加深網(wǎng)絡技術(shù)在電液控制技術(shù)中的應用，能夠讓系統(tǒng)的集中控制功能越來越完備，并向全面自動化穩(wěn)步推進。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)即物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，其意義在于多種網(wǎng)絡的相互滲透，在于與傳感技術(shù)和智能處理技術(shù)的高度融合，實現(xiàn)設備運行狀態(tài)的在線監(jiān)測、信息的無線傳輸和數(shù)據(jù)的智能處理[49]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與電液控制技術(shù)的融合點是，用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改造電液控制技術(shù)的傳感器系統(tǒng)，增強其功能，改變其信息傳輸模式，簡化其數(shù)據(jù)傳輸過程，豐富其數(shù)據(jù)采集量。在液壓支架電液控制技術(shù)中滲透入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以使涉及多設備、多變量的復雜狀態(tài)檢測的數(shù)據(jù)采集工作變得更加簡易；利用其傳感器信息無線傳輸?shù)奶攸c，還可以進一步將收集到的巨量數(shù)據(jù)簡易地匯總起來，繼而完成智能處理，最終使工作面設備獲得協(xié)同工作的能力，使全工作面自動化生產(chǎn)有了進一步技術(shù)保障。同時，只有物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠為支架電液控制提供足夠的自動化控制和智能控制數(shù)據(jù)依據(jù)。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一種能在滿足生產(chǎn)功能的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)工作面上電液控制系統(tǒng)、液壓支架、采煤機、刮板機、皮帶機和供電等各設備互相感知和信息交換的技術(shù)，是利用有限的資源整合工作面設備各自網(wǎng)絡、解決全工作面設備集中狀態(tài)檢測問題的有效途徑，最終不僅能實現(xiàn)無人值守工作面自動化采煤，還能保證重大裝備的高效、安全、可靠運行。

3.3 大數(shù)據(jù)技術(shù)

大數(shù)據(jù)技術(shù)是針對具有海量、高增長、快速變化、極多樣數(shù)據(jù)類型等特點的數(shù)據(jù)進行分析、加工的數(shù)據(jù)處理技術(shù)。這一技術(shù)能夠處理常規(guī)技術(shù)難以管理和分析的低價值、高密度數(shù)據(jù)，從中提取和總結(jié)出有效目標信息，形成管理、控制和決策。由于處理過程中收集到的全部信息都被取樣和分析，因此該技術(shù)的決策結(jié)果不依賴于信息收集算法，具有更高的可靠性。

液壓設備負荷重，工況差，容易出現(xiàn)故障，且維修難度大。液壓支架和乳化液管路故障都很容易導致整個工作面生產(chǎn)受阻。如果能夠?qū)σ簤涸O備的故障進行提前判斷和預防，就能有效提高生產(chǎn)效率。要實現(xiàn)上述功能，首先需要針對設備工況采集大量信息，現(xiàn)有傳感器技術(shù)還做不到這一點，需要物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合來解決。同時，目前還缺乏從這樣收集來的海量信息中提取和分析有效信息的手段。

大數(shù)據(jù)技術(shù)可以解決數(shù)據(jù)處理這一難題。在液壓支架電液控制系統(tǒng)中應用大數(shù)據(jù)技術(shù)，就是采用大數(shù)據(jù)技術(shù)分析液壓設備工況信息，從而提高電液控制系統(tǒng)中壽命管理功能模塊的性能。這就需要在電液控制技術(shù)中，將大數(shù)據(jù)技術(shù)同物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合起來。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了裝備運行狀態(tài)信息的檢測和無線傳輸、收集，所形成的巨量數(shù)據(jù)內(nèi)容，就需要采用大數(shù)據(jù)技術(shù)進行分析、處理和融合，以更好地為系統(tǒng)中的設備服務。

將結(jié)合了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)和云計算技術(shù)的大數(shù)據(jù)技術(shù)應用于電液控制技術(shù)當中，能夠讓電液控制系統(tǒng)真正實現(xiàn)液壓支架故障預測和全周期壽命管理功能，這些功能可以提高液壓設備維護、檢修的效率，延長設備的使用壽命，進而提高煤礦生產(chǎn)效率，在產(chǎn)生經(jīng)濟效益的同時還有助于保證井下工人安全。

3.4 智能控制技術(shù)

煤礦環(huán)境復雜多變，且電液控制系統(tǒng)中控制對象眾多，傳統(tǒng)控制技術(shù)不但不能滿足不同礦井條件和采煤工藝的特定控制需求，也難以滿足采煤工藝中常見的工作面校直、頂板找平等功能的靈活需求。為使煤礦生產(chǎn)效率進一步提高，在全工作面自動化控制技術(shù)的發(fā)展進程中，對智能控制技術(shù)提出了需求。

智能技術(shù)包括模糊邏輯控制[50]、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、專家系統(tǒng)、遺傳算法等。以智能控制為核心的智能控制系統(tǒng)具備一定的智能行為，如：自學習、自適應、自組織。智能控制技術(shù)應用于不確定、非線性、參數(shù)相互耦合的控制對象時，能產(chǎn)生理想的控制效果。液壓支架正是具有這些屬性的設備[51]。因此，智能控制技術(shù)對電液控制系統(tǒng)有很強的針對性。

智能控制技術(shù)與電液控制技術(shù)的融合就是利用智能控制技術(shù)改進電液控制系統(tǒng)的控制策略，具體體現(xiàn)在控制過程中的多個方面。模糊控制可以緩解控制過程中對液壓支架及其它控制對象的控制策略建模難的問題[52]；神經(jīng)網(wǎng)絡則可以為控制過程中的不確定性提供更高的容錯度，同時增強對變化因素的適應能力；專家控制則能提高控制精度，增強故障診斷能力。采用這些智能控制策略，能讓電液控制系統(tǒng)的工作面校直找平、自動追機拉架等功能獲得突破，也能在支架處于不同姿態(tài)時依然保證各動作的控制精度，是大大提高電液控制技術(shù)自動化程度的契機。

筆者認為，應把上述4大技術(shù)作為電液控制技術(shù)的融合方向：在數(shù)據(jù)傳輸層面運用網(wǎng)絡技術(shù)，實現(xiàn)信息資源、計算資源的全面共享；在信息感知層面運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，完成狀態(tài)量的全面監(jiān)測和高效無線傳輸；在數(shù)據(jù)處理和應用層面運用大數(shù)據(jù)和智能控制技術(shù)，保證信息的高效處理和動作的精準控制，并形成完備的故障診斷和壽命周期管理功能。這些技術(shù)的融合是緊密交織在一起的，互相依賴和促進，最終成為一個整體，共同為無人值守工作面自動化生產(chǎn)服務。這種融合對于發(fā)展集中控制、自動制導、故障自診斷和全壽命周期管理等技術(shù)都有著巨大的促進作用，能夠切實提高電液控制系統(tǒng)產(chǎn)品的技術(shù)水平。

4 結(jié)論

液壓支架電液控制技術(shù)是自動化綜采工作面的重要象征，對提高生產(chǎn)效率、保障生產(chǎn)安全有著至關(guān)重要的作用，是無人值守自動化采煤技術(shù)的核心技術(shù)。液壓支架電液控制系統(tǒng)起源于英國，并迅速在全球發(fā)展并走向成熟。該技術(shù)在我國起步較晚，但21世紀初出現(xiàn)的SAC型和ZDYZ型系統(tǒng)已經(jīng)達到、部分超過了世界先進水平。但在高端功能和可靠性、智能化方面，德國依然是液壓支架電液控制技術(shù)發(fā)展的中心，國內(nèi)研究則依然存在較大追趕空間。

液壓支架電液控制技術(shù)當前的主要研究內(nèi)容是基于順槽計算機的集中控制技術(shù)和無人值守綜采工作面液壓支架自動化控制技術(shù)。針對集中控制技術(shù)，已經(jīng)進行了較長時間的研究，研發(fā)了成熟的基于計算機、以太網(wǎng)和傳感器的集中控制電液控制系統(tǒng)，并配合井下攝像頭實現(xiàn)可視化、信息化的無人值守采煤技術(shù)，但是這種技術(shù)還不能實現(xiàn)工作面所有設備的完美整合。自動化控制技術(shù)的研究還較為落后，不能實現(xiàn)具有較大適用范圍的無人值守自動化功能。

無人值守工作面自動化采煤技術(shù)是未來的發(fā)展方向，為實現(xiàn)這一目標，液壓支架電液控制技術(shù)被提出了更高的技術(shù)要求，包括在通訊系統(tǒng)和傳感器技術(shù)上更好的與工作面其它設備形成良好的互相感知，更加精確的液壓支架位置和姿態(tài)控制，更快的控制速度，更有針對性的控制策略等。本文研究認為，要完成這些要求，未來的綜采自動化工作面的電液控制技術(shù)就需要與網(wǎng)絡技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)和智能控制技術(shù)融為一體。隨著這些技術(shù)的融合和不斷完善，液壓支架電液控制技術(shù)才能在未來完全實現(xiàn)無人值守和集中控制，實現(xiàn)全周期壽命管理和故障診斷與排除，實現(xiàn)智能控制和控制策略的自適應，最終實現(xiàn)控制系統(tǒng)的智能化、實現(xiàn)無人值守工作面自動化生產(chǎn)。

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