ZFS3300型液壓支架控制系統的設計研究

王 岱

（晉能控股集團設計研究有限責任公司，山西 大同 037000）

1 概述

同煤集團塔山煤礦在建設智慧煤礦時，高精度、智能化的井下開采設備相繼投入使用，但設備的控制系統建設相對落后，不能完全滿足自動化智能化需求。目前投入使用的ZFS3300 型液壓支架工作環境復雜，操作人員無法直接在工作面上進行就地控制液壓支架的動作，且由于工藝需要，液壓支架在特定階段需要帶壓移位，而人工操作精度低，效率不高，無法保證液壓支架的動作安全有效。據此，決定對ZFS3300 型液壓支架進行自動化控制系統設計改造，以解決當前存在的問題。

2 液壓支架自動化控制系統功能要求

2.1 ZFS3300型液壓支架存在的問題

ZFS3300 型液壓支架采用就地控制方式，目前支架組移架時間無法匹配當前采煤機牽引速度，采煤連續性無法保障。在升液壓支架過程中，由于工作面煤層結構復雜，人工調整液壓支架壓力存在冒頂風險。另外由于ZFS3300 型液壓支架無自動功能，在移架過程中出現特殊情況時無法自動停車，可能增大事故發生風險。

2.2 液壓支架的新功能要求

（1）液壓支架自動化控制功能

液壓支架需配合采煤機和運輸機同時使用。隨著采煤機的掘進前移，液壓支架也應隨著行進，液壓支架行進過程涉及到拉架、護幫等工序，人工操作不僅效率低，還容易出現安全事故。液壓支架的自動化移位控制功能顯得尤為必要。

（2）自動停車功能

液壓支架在支護過程中，尤其是在移架過程中，會碰到各種情況，液壓機的故障和綜采工作面的緊急情況，都可能導致支護事故的發生。這就需要液壓支架能準確判斷當前工況，在可能導致事故發生的情況下作出合理的停車措施。緊急停車功能需要設置為自動和手動兩種控制模式。緊急停車按鈕需要將液壓支架各類控制器進行集成，達到一鍵安全停車，停車動作需要液壓支架自動控制系統按照邏輯設定執行。

3 液壓支架自動化控制系統方案

3.1 自動控制系統總方案

根據綜采工作面工況的不同，使用的液壓支架數量也是不同的，不同綜采階段液壓支架的支護動作也是不同的。自動控制系統要能夠對所有使用的液壓支架進行集中控制，以達到各液壓支架相互配合的目標。在每一套液壓支架上增設功能控制器，控制器采用12V 直流電源供電，采用CAN 總線控制方式進行連接通訊，控制器還具有自檢功能，定時巡檢自身控制程序，保證控制穩定。采用CAN 總線控制方式的優點是能夠在某一液壓支架控制器出現故障時，系統整體可以暫時屏蔽該控制器，保證系統的穩定有效。液壓支架電控系統總體結構框架見圖1。

圖1 液壓支架自動化控制系統總體結構框架

3.2 硬件設計選型

液壓支架與采煤機配合動作功能的原理：采煤機特定位置裝配一套高精度紅外發射裝置，用于定位采煤機在工作面的位置，同時在液壓支架上裝配與其配套的紅外信號接收裝置，通過定位采煤機位置，配合液壓支架自動化功能，實現液壓支架自動移架與采煤機配合工作的功能。塔山煤礦采用FYF5 型紅外線發射器，與YS5 型紅外線接收儀。接收儀能將接收到的紅外信號轉換為電信號，并將其傳輸到控制器中，完成位置信號采集，接受到位置信號的液壓支架控制器，根據邏輯控制程序，發出液壓支架移架或保持信號。紅外裝置性能參數見表1。

圖2 FYF5 型紅外發射裝置（a）和YS5 紅外接收裝置（b）

表1 紅外裝置性能參數

3.3 通訊方案

液壓支架數量較多，傳輸到總控制器的信號信息相對復雜，自動控制系統采用CAN 總線通訊方式實現信號傳輸，按照功能分，通訊信號主要包括三類：液壓支架壓力、支護高度、支護強度等“狀態信號”；上位機輸入信號以及處理器輸出信號等具有控制作用的“控制信號”；應對緊急情況發生時具有最高優先級的“緊急信號”。同時系統設計了CAN離線報警程序，主要通過離線寄存器對系統設備信息進行周期掃描。若發現離線設備，并對該設備設置的離線確定時間后，判定為非正常離線，并進行報警。報警程序邏輯見圖3。

圖3 CAN 通訊方案中設備離線報警程序

4 測試效果分析

在投入井下應用前，塔山煤礦機電科針對ZFS3300 型液壓支架自動控制系統進行了功能性測試，首先在原有液壓支架控制系統中，增加自動控制組件，通過外部輸入不同模擬型號，液壓支架自動控制系統實現對液壓支架的升降和移行等動作，同時監控系統也能進行準確實時的狀態顯示。

測試組確定，降低二號液壓支架的立柱缸壓后，自動控制系統及時報警，且進行停車控制。對三號液壓支架進行人為強制離線后，系統在3 秒內發出聲光報警，并在控制界面顯示出三號液壓支架離線信息。通過測試，針對塔山煤礦ZFS3300 型液壓支架設計的自動控制系統，功能有效，控制穩定。該系統于2019年7月首次應用于2101 綜采工作面，經過一年測試運行，證實功能性和穩定性都滿足塔山煤礦液壓支架控制需求，應用現場照見圖4。

圖4 液壓支架自動化控制系統應用

5 結語

塔山煤礦為了實現ZFS3300 型液壓支架自動控制，通過設計改造，完成了一套集自動移架、緊急停車和離線報警的自動控制系統，經過測試，系統的功能型和穩定性滿足需求，同時能夠極大的解放人力。該自動控制系統的控制方式和精度與塔山煤礦智慧礦山的理念相統一，有很大的推廣價值。