煤礦井下液壓支架組智能控制系統(tǒng)的研究

呂 明

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)公司晉華宮礦，山西 大同 037000）

引言

隨著煤礦井下總作業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，綜采面的綜采效率獲得了大幅的提升，因此對(duì)液壓支架組的支護(hù)安全性和支護(hù)效率也提出了更高的要求。液壓支架組在工作時(shí)不僅需要根據(jù)頂板礦壓波動(dòng)情況及時(shí)調(diào)節(jié)初撐力，而且還需要根據(jù)采煤機(jī)的截割作業(yè)情況不斷進(jìn)行收放護(hù)幫板、收架、移架等動(dòng)作。傳統(tǒng)的液壓支架組控制邏輯中采用了單組控制方式，也就是每個(gè)支架單獨(dú)對(duì)采煤機(jī)的位置狀態(tài)進(jìn)行判斷，然后根據(jù)判斷結(jié)果調(diào)整自己的支護(hù)狀態(tài)，該控制模式雖然穩(wěn)定性高，一個(gè)支架的損壞不影響其他支架的正常工作，但控制效率和調(diào)節(jié)精度較差，難以滿足快速截割作用下的高效支護(hù)作業(yè)需求。結(jié)合采煤機(jī)和液壓支架的相互關(guān)系，并根據(jù)井下的實(shí)際控制需求，本文提出了一種新的液壓支架組智能控制系統(tǒng)，其利用支架控制對(duì)綜采面上的支架支護(hù)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一的調(diào)節(jié)控制。

1 支架組智能控制系統(tǒng)

由于煤礦井下綜采面上的液壓支架數(shù)量通常達(dá)到100臺(tái)左右，考慮到控制一致性和支架狀態(tài)調(diào)節(jié)的可靠性，提出了分組調(diào)節(jié)控制的模式，每三個(gè)支架為一個(gè)控制小組，通過(guò)一個(gè)支架控制器進(jìn)行控制，相鄰的兩組液壓支架可以相互控制，從而實(shí)現(xiàn)利用一個(gè)控制中心對(duì)所有支架進(jìn)行控制的需求，為了確保控制的可靠性，所有的控制線路采用了雙回路模式，避免線路故障導(dǎo)致的支架組控制失效情況。該支架組智能控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

圖1 支架組智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1可知，該支架組控制系統(tǒng)主要包括了控制層、信息匯總層及監(jiān)測(cè)層三個(gè)部分。控制層主要由各個(gè)支架傳感器構(gòu)成，主要作用是對(duì)各個(gè)支架的支護(hù)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并將監(jiān)測(cè)信息傳遞給信息匯總層，同時(shí)還兼具著接受監(jiān)測(cè)層傳來(lái)的控制信息并控制支架運(yùn)行的功能，支架控制器最終全部接入到CAN數(shù)據(jù)總線上，完成數(shù)據(jù)信息的接收和傳遞。

支架的信息匯總層是指端頭支架控制器，主要用于接收各個(gè)支架控制器的數(shù)據(jù)信息，并對(duì)各個(gè)支架的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷，將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后傳遞給地面上的監(jiān)測(cè)層，同時(shí)將地面監(jiān)測(cè)層傳遞過(guò)來(lái)的調(diào)整信息轉(zhuǎn)換后發(fā)給指定的支架控制器。

監(jiān)測(cè)層位于地面，主要用將各個(gè)支架的支護(hù)狀態(tài)信息顯示到監(jiān)控終端上，便于監(jiān)測(cè)人員的觀測(cè)，同時(shí)能夠根據(jù)井下的實(shí)際情況，發(fā)出調(diào)整控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)各支架狀態(tài)的遠(yuǎn)程調(diào)控，滿足在特殊環(huán)境下的“越級(jí)”控制需求，確保井下的支護(hù)安全。

該支架組控制系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，利用CAN數(shù)據(jù)總線作為信息傳遞中心，能夠滿足數(shù)據(jù)傳遞快速性和安全性的需求，可有效提升對(duì)支架組控制的安全性和及時(shí)性。

2 支架控制器終端的設(shè)計(jì)

液壓支架的終端控制器是控制層的核心，其通過(guò)各類(lèi)傳感器設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架運(yùn)行狀態(tài)、支架和采煤機(jī)相對(duì)位置的監(jiān)控，為支架調(diào)整提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。為了滿足控制需求，該支架控制器終端需要具備便捷的人機(jī)交互界面，便于控制人員在井下直接對(duì)支架的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)整。終端控制器還需要具備可靠的聲光報(bào)警系統(tǒng)，一旦監(jiān)測(cè)到支架運(yùn)行故障，系統(tǒng)將自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，從而便于通知人員進(jìn)行及時(shí)的維修，保證支架支護(hù)的安全性。液壓支架控制器終端硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示[2]。

圖2 支架控制器硬件結(jié)構(gòu)示意圖

3 液壓支架控制系統(tǒng)邏輯

該支架組控制系統(tǒng)主要是通過(guò)對(duì)液壓支架和采煤機(jī)相對(duì)位置的監(jiān)測(cè)，推算出液壓支架所應(yīng)滿足的支護(hù)狀態(tài)并及時(shí)發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)液壓支架和采煤機(jī)的協(xié)同運(yùn)行，以確保井下綜采作業(yè)的效率和安全性，該支架組控制流程如圖3所示[3]。

在該控制系統(tǒng)中，首先會(huì)對(duì)液壓支架組上各個(gè)液壓支架進(jìn)行編號(hào)，根據(jù)調(diào)控指令和動(dòng)作執(zhí)行流程，設(shè)定每個(gè)支架完成動(dòng)作所需的時(shí)間，從發(fā)出控制指令后開(kāi)始計(jì)時(shí)，若超過(guò)設(shè)定時(shí)間支架還沒(méi)有完成規(guī)定的動(dòng)作，則系統(tǒng)判定支架調(diào)整出現(xiàn)異常，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，提醒工作人員注意和調(diào)整。

液壓支架組控制系統(tǒng)在工作時(shí)需要對(duì)多個(gè)液壓支架進(jìn)行調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)基礎(chǔ)是對(duì)各個(gè)液壓支架相對(duì)于采煤機(jī)的位置狀態(tài)的判斷，根據(jù)判斷結(jié)果發(fā)出調(diào)控指令，完成調(diào)節(jié)控制后系統(tǒng)會(huì)對(duì)寄存的信息進(jìn)行清除，從而為執(zhí)行下一階段的調(diào)控任務(wù)做好準(zhǔn)備[4]。

圖3 液壓支架組控制邏輯示意圖

4 應(yīng)用效果

為了對(duì)該支架組控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析，對(duì)優(yōu)化前后的工作情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明：優(yōu)化后支架組調(diào)整的異常數(shù)量由最初的62次/月，降低到了目前的6次/月，降低了約90%，由此可知該控制系統(tǒng)能夠顯著提升對(duì)井下調(diào)控的可靠性，為實(shí)現(xiàn)井下無(wú)人綜采作業(yè)奠定了基礎(chǔ)。