綜采工作面人員定位與液壓支架協同控制系統方案設計分析

傅育繁

（晉能控股煤業集團挖金灣煤業有限公司，山西 大同 037003）

引言

在井下綜采工作面運用智能化的控制系統時，通常采煤機、刮板輸送機以及相應的液壓支架等都會在設定的程序下開始運行，假如出現一定的問題，那么將會給工作面巡檢人員帶來較大的安全隱患。因此，為了能夠避免工作面工作人員不再受到威脅，同時結合井下定位系統，進而設計出綜采工作面液壓和工作人員系統互動的系統，并對形成的聯合閉鎖控制形式展開分析。

1 智能化工作面液壓支架與人員定位協同系統

1）智能化綜采工作面液壓支架電控單元與人員定位精度識別系統傳輸信息的過程中，可以借助無連接通信協CSC實現信息傳輸。其工作過程由定位系統將采集到的人員信息與工作人員所處位置的液壓支架架號等信息實時傳輸給液壓支架電控控制單元。

2）在智能化綜采工作面控制中心應用數據庫時，能夠有效地處理定位系統中的相關信息，同時系統會對巡檢工作人員位置信息與相配的液壓支架信息進行保存，同時系統能夠自動生產電子數據表格，從而可以將其作為液壓支架解閉鎖數據的重要依據。

3）在綜采工作面布置可視化的液壓支架電控單元，相關工作人員可以借助定位單元讀取數據庫中的信息，同時將獲得信息在系統內進行可視化處理，這樣方便工作人員查看支架信息、此外，可以把與液壓支架架號匹配的人員動態信息傳輸給液壓支架控制單元，當發現數據出現異常時，那么將直接閉鎖工作人員所在的支架。圖1液壓支架電控系統上位機人員定位信號傳輸流程。

圖1 液壓支架電控系統上位機人員定位方案

2 人員定位與液壓支架協同安全控制系統各分系統設計

2.1 人員定位高精度識別系統設計

人員定位高精度識別系統，包括如下幾個模塊：智能綜采工作面定位基站模塊、支架控制裝置、高精度定位服務器模塊、液壓支架控制主機[1]。一般需要在工作面支架按照人員定位基站，從而該基站能夠將信號遍布整個工作面，其定位精度可以控制在30 cm以內。假如發現佩戴者定位器的工作人員的信息時，這時基站可以發出5 m/s的動態識別信息，進而能夠在最快的時間內識別工作人員的位置，與此同時將該信息出輸給定位基站，這樣基站定位工作人員的信息可以經過基站實施傳輸給定位器，接著服務器將處理后的信息實施傳輸給液壓支架控制單元，經過信息的處理后，可以將信息傳輸給液壓支架，進而實現解閉鎖控制。

2.2 智能化綜采工作面區域控制劃分

對于綜采工作面而言，往往需要對如下四個區域進行重點檢查：

在采煤機前滾筒附近，需要實時監測滾筒頂部高度、采煤機速度。在采煤機的后滾筒附近，對滾筒底部位置進行實施監控。在跟機收護幫液壓支架后方，這時巡檢工作人員需要控制液壓支架的守護幫動作。在跟機移溜液壓支架控制前方位置，巡檢工作人員對液壓支架移溜進行操作。同時需要對不同的區域設置相應的巡檢工作人員進行維護操作。

依據智能化綜采工作面的控制需要，可以將液壓支架控制單元設置為三個區域：區域A為：液壓支架移溜區，區域B為：液壓支架移架區，區域C為液壓支架收護幫區，如圖2所示。

圖2 工作面自動控制及人員分布區域劃分

當采煤機位置工作面實施采煤的過程中，通常液壓支架將會隨著跟機運動，這時巡檢人員在采煤機前工作時，往往需要隨著采煤機運動并且進行相應的操作，經過調研發現在如下兩種狀態下跟進機液壓支架動作與相應的工作人員位置支架閉鎖發生沖突：

1）當出現4號區域與A區域發生重疊，而4號區域處于跟機操作狀態，那么液壓支架處于閉鎖狀態，將導致出現后方跟機推溜液壓支架在發生推溜時出現重疊動作。位于區域A時，跟機推溜支架與4號將隨著架號的增加而出現距離變小的現象。此外，由于巡檢工作人員位于閉鎖支架理論位置時必須最大限度的縮短解鎖時間[2]。

2）當2號區域、B區域發生重疊時，在2號的工作人員進行跟機操作時，而液壓支架處于閉鎖狀態。假如位于B位置的液壓支架在實現跟機移架時，那么將出現兩個區域位置越來越近的情況，最終出現重疊的現象。

2.3 支架解、閉鎖聯合協同控制設計方案

2.3.1 閉鎖控制設計

該系統將人員位置信息精確地傳給液壓支架控制單元，經過系統處理之后的信息，再次傳輸給支架控制單元。

實現原理：經過采集工作人員的定位信息，并且對其進行處理之后，系統能夠將對應支架的工作人員動態變量設置為1，假如電控系統經過計算發現支架對象模型參數發生變化時，將該參變量傳輸給相應的架號的液壓支架，與此同時發出閉鎖指令，從而實現對巡檢工作人員所在支架的控制，與此同時可以實現閉鎖控制，如圖3所示的上位機閉鎖控制設計流程圖。

圖3 液壓支架電控系統上位機閉鎖控制設計流程圖

2.3.2 解鎖控制設計

該控制系統在工作的過程中，位于井下的工作人員通過跟機操作，其可以有效地保證巡檢支架處于閉鎖的工作狀態。那么當巡檢工作人員在跟進過程中，該系統將解鎖閉鎖支架。通常該解鎖形式有如下兩種：主動解鎖形式、被動解鎖形式[3]。

1）在進行跟機操作時，被動解鎖巡檢工人離開工作位置后，高精度定位服務器不在進行反饋調節。通常在系統內部設置有5 s未接收到上位機數據信息響應機制，當出現超過5 s未收到信號時，系統自動人員已經離開該位置。圖4支架被動解鎖理圖。

圖4 支架被動解鎖控制原理圖

2）對于主動解鎖高精度定位服務器而言，其能夠不間斷地向上位機傳輸人員定位信息，間隔時間為1 s。當系統上位機接收到信號后，每間隔3 s時間向支架控制裝置傳輸1條閉鎖指令，同時控制裝置間隔3 s進行1次閉鎖操作。當巡檢工作人員繼續跟機操作后，該定位服務系統不在向上位機傳輸工作人員的位置信息，其中持續時間達到5 s并未接受信號后，相應的上位機在內部設定的程序進行判斷指出工作人員已經離開支架，相應的支架控制裝置可以依據在其內部設置的程序指令實現自動解鎖功能。假如系統為主動解鎖功能下，相應的支架控制器裝置不需要上位機所發出的命令，從而能夠實現自動解鎖功能。

2.3.3 實時定位以及實現系統協同控制

為了使得閉鎖狀態下的液壓支架實現跟機，必須在跟機動作之前實現液壓支架解鎖。由此可以看出該系統必須能夠精確地計算出支架控制裝置的解鎖延遲時間上限。通過分析圖1可以發現巡檢工作人員與采煤機能保持一致。當采煤機進行采煤的過程中必須保證巡檢工作人員的運動速度與采煤機的進度保持一致。假如巡檢工作人員不能與采煤機保持同步時，延緩人員定位服務器將停止給系統上位機發送信息，導致延遲液壓支架解鎖時間。因此為了能夠有效地使得巡檢工作人員在在一個跟機時間內完成解鎖液壓支架的動作，必須保證巡檢工作人員的速度與液壓支架主動解鎖時間小于2號巡檢工行動與2號采煤機司機行動內的支架控制自動解鎖時間。

3 結語

1）結合智能綜采工作面與人員定位精度識別系統，同時需要充分考慮綜采工作面液壓支架控制單元與液壓支架執行裝置，進而設計出智能綜采工作面安全控制系統。

2）經過工程實踐對某礦智能化綜采工作面進行觀察發現，該系統能夠按照設定的指令發出動作。經過調研發現，系統在解鎖方面的反應時間大于理論值，其誤差在5~7 s之間，主要是由于無線電傳輸過程中信號不良所致。在進行測試的過程中，該設計方案依舊存在一定的問題，比如巡檢工作人員的位置與液壓支架跟機位置重疊時，跟機人員的閉鎖支架將會與跟機液壓支架發生沖突，在后續的研究中能夠有效地解決該問題。