綜采工作面液壓支架遠程控制技術研究及應用

梁云峰，劉永偉，黃 凱，毛清華

1中煤西北能源有限公司 內蒙古鄂爾多斯 017200

2西安東達馬科智能控制系統有限公司 陜西西安 710075

3西安科技大學機械工程學院 陜西西安 710054

4陜西省礦山機電裝備智能監測重點實驗室 陜西西安 710054

在 我國礦井地質條件日漸復雜、安全生產要求愈加嚴格、生產環境要求逐漸提高的形勢下，我國煤炭開采產業對于智能技術和設備的需求更加迫切[1-3]。液壓支架作為確保煤礦安全順利生產的重要技術核心裝置，給予煤礦綜采巷道頂面一定的支撐和安全保護，避免巷道內部受到開采落石的嚴重沖擊[4]，因此，研究液壓支架遠程控制技術有助于推動煤礦安全高效生產，為實現煤礦智能化提供技術保障。

我國研究人員對于液壓支架控制系統進行了探索與研究。郅富標[5]構建了一種液壓支架控制系統，能夠控制支架進行自動跟機推溜移架，實現自動化操作。牛劍峰[6]設計了一套新型液壓支架跟機自動化控制系統，實現了跟機移架、推移刮板輸送機和噴霧等自動化功能。高晉等人[7]構建了基于 CAN 總線通信的液壓支架控制系統，通過 TCP/IP 數據傳輸，實現液壓支架狀態的遠程監控。侯素紅等人[8]設計了一種新型液壓支架電液控制系統，采用 DSP 和 CAN 總線，實現對液壓支架多種運動作業的控制。張建國等人[9]設計了液壓支架集成控制平臺，可使液壓支架按照設定的參數進行動作，實現自適應工作，同時具備液壓支架受力檢測和監控功能。

上述控制系統雖然可以實現順槽計算機集中過程監測，但是缺乏用于統一管理和監控的綜采自動化控制系統軟件。為全面提升煤礦遠程綜采生產技術裝備智能化應用水平，實現煤礦的安全、高效生產，筆者就液壓支架遠程智能化控制技術進行深入研究，以中煤蒙大公司納林河二號煤礦 3-1 上 102 工作面為主要技術研究背景，基于“自動化減人、智能化無人、少人則安、無人則安”的生產理念，對液壓支架遠程控制展開研究，為綜采工作面的智能化發展提供借鑒與實踐基礎。

1 遠程控制方案

1.1 電液控制系統總體方案設計

液壓支架群組是煤礦進行機械化開采的關鍵性生產設備[10]。通過對煤礦井下液壓支架主控計算機的智能化控制程序進行研發，使其能夠智能化模擬工人操作的工藝和動作，提升電液控制系統自動化效果[11]，滿足實際生產需求。

液壓支架電液控制系統由就地控制器、集中控制器和液壓支架遠程控制系統 3 級結構組成，如圖 1 所示[12]，可以實現就地、遠程點動和自動控制。

圖1 液壓支架電液控制系統Fig.1 Electro-hydraulic control system of hydraulic support

就地控制器是液壓支架控制系統的第 1 級系統，安裝于綜采工作面的每臺液壓支架上，1 臺液壓支架分別對應 1 臺就地控制器，所有的控制命令最終由就地控制器執行，可直接驅動電磁先導閥，進而能夠使支架完成推溜、移架、升降和提底等多種動作。

集中控制器是液壓支架液壓控制系統的第 2 級系統，其安裝位置依據支架的安裝位置而定，一端與遠程控制計算機相連，另一端與就地控制器相連，是電液控制系統的中間環節，是液壓支架遠程控制系統與就地控制器之間的紐帶，其功能是向就地控制器發送支架動作命令，實現對液壓支架的動作控制；向就地控制器發送運行參數巡檢命令，接收和保存工作面所有液壓支架的運行參數。

在煤礦開采作業中引入液壓支架遠程控制系統，在監控主機的監控管理作用下，對煤礦井下作業設備的運行狀態及各項性能指標進行遠程監測，并根據監測結果進行有效控制。液壓支架遠程控制系統是液壓控制系統的第 3 級系統，同集中控制器相連，安裝于綜采工作面進風巷道或回風巷道的順槽控制中心，其主要功能為實時監測綜采工作面所有液壓支架立柱壓力、推溜行程、支架急停閉鎖狀態等工作狀態；可對綜采工作面液壓支架進行單動作和成組動作控制，結合采煤機位置，對液壓支架實施自動控制；實時記錄液壓支架的運行狀態參數，根據人工操作的工藝和動作，對實時運行狀態進行模擬顯示，為用戶提供歷史數據查詢。

1.2 液壓支架遠程控制界面開發

通過對井下支架主控計算機的智能化控制程序進行研發，提升電液控制系統自動化效果，滿足實際生產需求。采用分層技術將支架運行狀態、控制和數據分析集中顯示在同一界面上，如圖 2 所示。

圖2 液壓支架控制系統操控界面Fig.2 Control interface of hydraulic support control system

該界面可實時顯示綜采工作面所有液壓支架立柱壓力、推溜行程、支架急停閉鎖狀態等工作狀態，同時可以實時記錄狀態參數，實現了在井下工作面順槽監控中心和調度室控制中心對液壓支架的單機控制或一鍵啟停。

需要進行液壓支架控制時，可通過與設備的位置監測系統通信來獲取液壓支架的位置和移動方向，發出相應的指令 (例如牽引加減速、液壓支架推溜等)，該指令通過數據通信總線與液壓支架進行通信，把信號發送給液壓支架，從而實現對支架的遠程控制[13]。

2 基于 EtherNet/IP 的遠程通信技術

以太網通信因技術可靠、成熟而得到普遍應用。EtherNet/IP 通信技術基于以太網通信技術，在物理層和數據鏈的線路管理層皆采用了標準以太網技術，這樣使得 EtherNet/IP 可以在所有支持以太網的液壓支架上無縫工作。由于 EtherNet/IP 通信技術基于標準的以太網，通信速度和傳輸效率較高，可實現基于計算機軟件的單主多從通信，減少整個控制系統的中間環節，具有結構簡單、易于維護、建設和實施，運行成本較低等特點[14]。

本系統主要采用 EtherNet/IP 通信協議，支持基于計算機軟件的單主多從通信。數據按照統一標準接入和采集，實現了液壓支架的通信功能，同時，EtherNet/IP 通信協議具有更好的實時性和可靠性，可實現設備的遠程集成控制以及地面監控[15]。通過模擬煤礦網絡的拓撲結構，液壓支架實現了與工業以太網之間的互連。基于 EtherNet/IP 的通信結構如圖 3 所示。

圖3 通信架構Fig.3 Communication architecture

通過對煤礦井下工作面的設備接口以及協議進行升級改造，安裝統一的 EtherNet/IP 智能網關，其數據均遵循中煤蒙大公司企業標準要求，由 OPC-UA服務器進行統一的采集和解析。此外搭建數據中心，通過 OPC-UA 協議實現從信息化向自動化的路徑連接。通過 OPC-UA 服務器可完成設備數據的聚集、處理、儲存、分發及利用。這些數據可以直接保存到實時/歷史數據庫中，同時也可供給 SCADA 系統用于監測監控，在此基礎上開發了移動 APP，用以演示分系統、分界面，實現煤礦機電設備的監控，可實現取用數據同源[16]。

3 現場應用

該綜采工作面液壓支架遠程控制技術已應用于納林河二號煤礦 3-1 上 102 工作面，現場測試了液壓支架的遠程操作、跟機自動化、支架防干涉功能以及支架的運行狀態顯示功能。

液壓支架的遠程操控主要是在順槽集控中心和地面調度中心分別對液壓支架進行操作。液壓支架的跟機自動化主要是在采煤機速度為 3～ 5 m/min 的情況下，對液壓支架的跟機情況進行統計，驗證支架能否跟隨采煤機完成拉架推溜功能。在跟機參數設定情況下，全工作面支架跟機穩定正常。如圖 4 所示，在采煤機最大速度為 12 m/min 時，系統通過隔架多架拉架的方式仍然能夠跟隨采煤機完成相應動作。

圖4 工作面跟機自動化參數Fig.4 Automation parameters of work face following machine

支架通過推移液壓缸上的傳感器監測支架壓力、支架高度、采煤機搖臂高度等數值，對采煤機與支架進行防干涉識別，并可進行彈窗和聲音報警。液壓支架配備了無線遙控器，實現了對液壓支架的單架、成組、超前支架一鍵自移的無線遙控。

4 結語

以中煤蒙大公司納林河二號煤礦 3-1 上 102 工作面為主要研究對象，基于液壓支架的電液控制技術，針對液壓支架推移過程中需要人工調節的缺點，提出了一種智能的液壓支架遠程控制系統方案。現場應用結果表明，該系統實現了對液壓支架狀態的全方位監測以及遠程控制，同時可以實現液壓支架的單架、成組跟機自動化，明顯提高了工作面支架的移架速度及工作效率，降低了煤礦井下工作者的勞動強度，為煤礦高產高效安全開采奠定了基礎。