煤礦綜采液壓支架電液控制系統研究

金 琪

（山西省陽煤集團安監局， 山西 陽泉 045000）

引言

液壓支架電液控制系統是現階段煤礦作業中最為先進的一種支護設備控制方式，其融合了液壓、電子、網絡通信、計算機以及機械等多種技術，既能提高開采效率，又能保障作業安全。

1 液壓支架電液系統簡析

液壓支架電控部分構成如圖1所示，主要分為電源、傳感器、支架控制器、監控主機、人機操作界面、電磁先導閥、連接器、過濾元件、輔助器和主閥等多個部分[1]，電源箱均設置電源耦合器，負責向支架單元提供電力支持。在液壓支架構成中，每個控制單元都分為傳感器、控制電纜、人機操作界面、電磁組閥、輔助纜、主控制閥組以及支架控制器等多個部分。

系統結構中，支架控制器均經由電纜連接為一個整體網絡，不同支架器之間的通信模式均為全雙工串行通信，通過CAN總線通信確保綜采數據信息的整理與傳遞[2]。此外，巷道主機主要用于遠程監控液壓支架和綜采工作面其他相關設備工況。

圖1 液壓支架電液控制系統結構示意

2 液壓支架電液控制系統設計

支架控制器是液壓支架電控系統的核心組件，與巷道主機、采煤機位置檢測系統和通信網絡一同組成電液控制系統。從功能層面來看，支架控制器不僅能夠控制液壓支架動作，亦可用于搜集整理電流傳感器、紅外、位移、壓力或者電壓等方面的反饋信息，進一步檢測后向巷道主機輸送檢測結果。采煤機位置檢測系統負責收集相應的定位數據，為支架控制器提供支持，后者子系統在定位數據信息的支持下實現綜采工作面的跟機自動化操作。巷道主機主要是利用CAN總線網絡對目標設備進行實時監控，并可配合目標設備聯動[3]。

2.1 支架控制器

在液壓支架電液控制系統中，支架控制器是核心部分，在新型電液控制技術以及高端通信技術的支持下，操作人員對液壓支架運動有精確的控制，系統控制器和各支架控制器之間的連接通信也得到良好保障。通常情況下控制器采用增強型單片機，性能較高，亦可選用一些高性能微處理器，譬如DSP、ARM等。支架控制器硬件設備通常分為基本配置、數據采集、通信模塊、人機交互和電磁驅動五個部分，如圖2所示。

圖2 支架控制器硬件組成部分示意

其中基本配置單元中，電源模塊開關電源芯片能夠穩定持續保持3.3 V的輸出電壓，采用濾波電路可有效保證抗電磁干擾性能，從而達到高精度、低能耗以及低噪音的電源性能。存儲模塊主要用于存儲運行狀態下的人機交互命令等系統信息；數據采集模塊可搜集檢測各種信息數據，譬如支架壓力、移架行程、采煤機位移以及控制器電流電壓等，還可通過多路信號采集器獲取采樣模式混合信號。通信單元均利用接口協議來保障控制器通信，其中I2C總線協議能夠讀取人機交互數據；CAN總線負責機巷集控室主機與控制器全局之間的通信管控。電磁驅動模塊參照控制器發出的動作指令，通過電磁驅動電路來控制電磁閥動作。電磁驅動模塊能夠實現多路信息輸出功能，并可對驅動電路進行實時在線監測。人機交互模塊中，操作人員通過鍵盤輸入指令動作，操控液壓支架實現緊急停止或成組自動控制等功能，并且可結合實際情況靈活應用，可設置或適當修改相關參數[4]。液晶顯示窗可實時反饋管理者或系統發出的操控指令，幫助管理人員有效監控系統運行狀況。

2.2 采煤機位置檢測系統

紅外線技術是采煤機位置檢測系統實現目標定位的關鍵技術，每臺采煤機以及液壓支架均配置獨立的位置檢測系統，以保證位置檢測精確性。采煤機位置檢測系統結構如圖3所示。

圖3 采煤機位置檢測系統結構示意

采煤機以及液壓支架上安裝的位置檢測系統并無差異，但是在煤礦生產實踐過程中，為了便于應用，提高通用性，設計人員針對相同的位置檢測系統設計了不同的軟件，采煤機檢測系統為發送工作模式，而液壓支架位置檢測系統則為接收工作模式。

調制模塊發出的固有頻率脈沖序列，經過微處理器后變為調制待發射信號的載波信號，具有良好的抗干擾特性，并且有利于強化信號在長距離傳輸過程中的傳輸質量；發射模塊主要功能是紅外線信號的發送，接收模塊則接受紅外信號并加以解析，控制器對數據進行處理分析，明確采煤機位置。由圖3可知，DAC模塊用于指示所得結果，或通過RS485通信總線向支架控制器發送所得結果，確保液壓支架自動化操作順利完成[5]。

2.3 巷道主機

液壓支架電液控制系統中，巷道主機也是極為重要的一部分，是系統進行實時操控的關鍵設備。巷道主機通常包括顯示器控制板、顯示器接口、硬盤接口、液晶顯示器、電源模塊、顯示驅動器、存儲模塊、鼠標鍵盤接口以及本安型隔離器等多種硬件設備，系統配置90～250 V交流電源，安全柵以及隔離電路則采用12 V直流本安電源模塊（5 V亦可）；主板和主機顯示器配設有12 V直流開關電源。巷道主機通常采用以太網口或者串并行口等不同類型的接口與其他配套電氣設備建立接口；鼠標鍵盤等各種輸入設備經由隔離型本安接口與主機連為一體，核心板與驅動板之間相連，液晶顯示器由此具備人機交互功能。儲存模塊主要是硬盤，其功能在于存儲操作系統，同時亦可用于管理軟件。

液壓主機一般是根據系統功能性來適當修改RedHat9.0操作系統，完成內核編譯工作，使之具備配置啟動等相關功能，主機監控軟件是設計人員采用GTK+工具基于Linux系統研發的一種定制型用戶界面，可讀取數據庫信息并于前臺顯示；后臺數據信息通常是讀取緩沖文件所得，所以前后臺之間的工作應當分工并行[6]。

支架控制軟件可以顯示采煤機移動路線、支架架號、支架噴霧情況、采煤機位置、驅動器狀態、首末支架架號等數據信息，并且能夠以圖形的方式實時顯示各支架推移行程與電壓情況，操作人員可根據圖形顏色對支架運行狀態進行判斷和評估，亦可通過人為配置來設定上下限值。應強調的是，支架控制軟件通過雙色LED燈的方式對自動補壓、自動移位以及自動推溜、網絡通信等狀態進行模擬顯示，一些錯誤詳細信息也能夠以比較智能化的方式出現在狀態欄內。通過菜單選項可實時查看全部支架的狀態信息，設置系統并可發出下位控制器的控制命令，達到了實時監控液壓支架作業工況的目的。巷道電控系統結構如圖4所示。

圖4 巷道電控系統結構示意

3 結語

在煤礦綜采工作面中，液壓支架是極為重要的一種設備，其電液控制技術也在很大程度上影響煤礦作業效率和生產安全性。為了跳出高價格高成本的現狀，改善國內礦井應用適應性較差這一局面，深入研究分析并優化煤礦綜采液壓支架電液控制系統是極為必要的。隨著相關設計領域的逐步深入與國產開發系統的普遍應用，相信煤礦作業安全生產水平也會隨之提升。