ZF13000 型液壓支架遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

朱曉倩

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四老溝礦，山西 大同 037000）

1 概況

四老溝煤礦綜合采煤采用ZF13000 型液壓支架進(jìn)行支護(hù)作業(yè)，智能化程度低，對(duì)液壓支架故障狀態(tài)的識(shí)別度低，一旦液壓支架出現(xiàn)故障停止工作，需要人工進(jìn)行故障排查。為了提升礦上的智能化程度，打造“智慧礦山”，進(jìn)行智能化液壓支架監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)[1-5]設(shè)計(jì)研究。

2 液壓支架遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主機(jī)

ZF13000 型液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)的選擇根據(jù)液壓支架的使用工況和監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求確定。布置在綜采工作面的ZF13000 型液壓支架，環(huán)境瓦斯?jié)舛认鄬?duì)較高，且監(jiān)控系統(tǒng)需要具備液壓支架的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、控制模式切換、狀態(tài)參數(shù)修改以及液壓支架監(jiān)控歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。結(jié)合煤安要求，該煤礦針對(duì)ZF13000 型液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)的主機(jī)選擇本安型防爆計(jì)算機(jī)，其組成結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 系統(tǒng)主機(jī)本安型防爆計(jì)算機(jī)組成結(jié)構(gòu)圖

2.2 ZF13000 型液壓支架狀態(tài)監(jiān)測(cè)

監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)ZF13000 型液壓支架的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要有液壓支架的移架狀態(tài)、急停與閉鎖狀態(tài)、支架立柱壓力、推溜位移等。移架狀態(tài)表明液壓支架的動(dòng)作是否由控制系統(tǒng)直接控制；急停與閉鎖狀態(tài)的顯示能夠?qū)ΡO(jiān)控值班人員發(fā)出緊急情況提醒，保證液壓支架狀態(tài)安全穩(wěn)定；立柱壓力數(shù)據(jù)的采集與顯示是表明液壓支架是否起到支護(hù)作用的關(guān)鍵；液壓支架的推溜位移是當(dāng)采煤機(jī)運(yùn)行時(shí)，布置在采煤機(jī)后的ZF13000 型液壓支架會(huì)完成推溜、拉架動(dòng)作，能直觀反映出采煤機(jī)的推進(jìn)效率以及液壓支架是否按照采煤工藝完成了移架支護(hù)動(dòng)作。

系統(tǒng)監(jiān)控程序通訊采用雙CAN 總線方式，分別執(zhí)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與輪巡功能，巡檢周期設(shè)定為3 s。監(jiān)控界面設(shè)計(jì)如圖2。其中移架狀態(tài)與推溜位移、前后立柱壓力采用X-Y 坐標(biāo)形式，X 軸標(biāo)號(hào)代表液壓支架的編號(hào)，Y 軸代表監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的數(shù)值。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過裝設(shè)的各類傳感器采集信號(hào)轉(zhuǎn)化后獲取，液壓支架的急停與閉鎖狀態(tài)的顯示則采用開關(guān)量模式，液壓支架的急停或閉鎖信號(hào)通過信號(hào)傳輸通道采用對(duì)應(yīng)狀態(tài)標(biāo)志變色的方式顯示在上位機(jī)。

圖2 監(jiān)控界面圖

2.3 控制模式切換

工業(yè)智能控制系統(tǒng)的控制模式一般分為就地控制、遠(yuǎn)程控制和集中控制三種，ZF13000 型液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)針對(duì)三種控制模式進(jìn)行了切換設(shè)計(jì)。就地控制對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作人員開放，通過液壓支架操控設(shè)備直接控制液壓支架的動(dòng)作與狀態(tài)；遠(yuǎn)程控制設(shè)計(jì)為控制人員在順槽監(jiān)控中心通過操作上位機(jī)實(shí)現(xiàn)液壓支架控制；集中控制是智能化無(wú)人控制模式，按照設(shè)計(jì)的控制邏輯，系統(tǒng)通過命令接收與狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，自動(dòng)控制采煤機(jī)和液壓支架動(dòng)作。基于集中控制系統(tǒng)需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩種控制指令模式，一種是周期性的巡檢指令，另一種是系統(tǒng)自動(dòng)化判斷發(fā)出的控制指令。如果兩種指令數(shù)據(jù)在同一時(shí)間發(fā)出，則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)錯(cuò)誤，為此在周期性指令發(fā)出前后設(shè)定了指令“靜默期”，即非周期的指令能且只能在“靜默期”內(nèi)發(fā)出，避免兩種指令的沖突。集中控制模式下的控制邏輯是：停止巡檢指令的發(fā)出，并在集控指令發(fā)出并收到所有控制液壓支架的應(yīng)答指令后的3 s 后自動(dòng)進(jìn)行一次巡檢。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的安全，設(shè)定在系統(tǒng)收到急停或故障信號(hào)后，控制模式自動(dòng)轉(zhuǎn)換為就地模式，防止故障下自動(dòng)控制系統(tǒng)錯(cuò)誤指令的發(fā)出。

2.4 在線修改參數(shù)

液壓支架控制系統(tǒng)的在線修改參數(shù)功能通過上位機(jī)進(jìn)行，提升系統(tǒng)的兼容性，調(diào)整不同工況環(huán)境下液壓支架的狀態(tài)。參數(shù)修改范圍包括液壓支架的運(yùn)行參數(shù)、系統(tǒng)的自動(dòng)化控制參數(shù)以及系統(tǒng)各類傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。支架運(yùn)行參數(shù)主要有控制液壓支架的數(shù)量、立柱壓力范圍、移架路程以及成組動(dòng)作劃分參數(shù)等；系統(tǒng)自動(dòng)化控制參數(shù)主要是系統(tǒng)控制模式、測(cè)試結(jié)果顯示模式以及指令執(zhí)行模式等；傳感器參數(shù)主要是針對(duì)是否將某傳感器數(shù)據(jù)納入程序運(yùn)算范圍、傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)取值范圍以及傳感器初始值等。在線修改參數(shù)界面如圖3，用戶第一次下發(fā)參數(shù)時(shí)，需手動(dòng)填寫參數(shù)值并點(diǎn)擊發(fā)送參數(shù)，下發(fā)參數(shù)成功后Lab VIEW 會(huì)自動(dòng)把參數(shù)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)表中。

圖3 在線參數(shù)修改界面圖

2.5 歷史數(shù)據(jù)查詢

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了采煤周期一年內(nèi)的液壓支架監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，主要對(duì)故障信息以及控制指令數(shù)據(jù)進(jìn)行整理存檔，用戶可以隨時(shí)調(diào)取，多以曲線圖的形式展示。

3 液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)試

3.1 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)功能測(cè)試

主要測(cè)試系統(tǒng)對(duì)液壓支架前后立柱壓力、推溜位移、采煤機(jī)位置、急停閉鎖信號(hào)等狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測(cè)功能是否及時(shí)準(zhǔn)確。

（1）立柱壓力與推溜位移測(cè)試

搭建的試驗(yàn)平臺(tái)采用直流電信號(hào)模擬液壓支架立柱壓力信號(hào)，采用位移傳感器獲取液壓支架推溜位移數(shù)據(jù)。試驗(yàn)選擇10 號(hào)模擬支架進(jìn)行測(cè)試，對(duì)安裝在10 號(hào)模擬支架上的位移傳感器的上部位置和中部位置分別施加3 V 和5 V 兩個(gè)不同電壓等級(jí)的電信號(hào)。監(jiān)測(cè)界面如圖4，左圖為位移傳感器中部3 V 信號(hào)的支架壓力、推溜位移值的監(jiān)測(cè)界面，可以看出此時(shí)顯示10 號(hào)液壓支架的立柱壓力為30 MPa 左右，位移量為50 cm 左右；右圖為位移傳感器上部5 V 信號(hào)的支架壓力、推溜位移值的監(jiān)測(cè)界面，可以看出此時(shí)顯示10 號(hào)液壓支架的立柱壓力為58 MPa 左右，位移量為99 cm 左右。通過計(jì)算，監(jiān)測(cè)誤差≤1.5%，滿足不大于2%的設(shè)計(jì)需求。

圖4 立柱壓力與推溜位移測(cè)試界面

（2）采煤機(jī)位置監(jiān)測(cè)功能

系統(tǒng)對(duì)采煤機(jī)位置的監(jiān)測(cè)是通過裝設(shè)在采煤機(jī)上的紅外發(fā)生裝置和裝設(shè)在液壓支架控制器內(nèi)的紅外信號(hào)接收器配合完成的。綜采面采煤機(jī)的運(yùn)行速度約5.5 m/s，ZF13000 型液壓支架的運(yùn)行速度為1.8 m/s，控制系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)二者相對(duì)距離，調(diào)整紅外接收裝置的朝向與角度，使接收裝置的扇形接收區(qū)域一直覆蓋發(fā)射裝置，通過系統(tǒng)設(shè)定的定位算法，完成采煤機(jī)定位。試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試中模擬了單臺(tái)采煤機(jī)的運(yùn)行軌跡，上位機(jī)準(zhǔn)確顯示出采煤機(jī)位置。

（3）急停閉鎖功能測(cè)試

系統(tǒng)設(shè)定的急停功能是對(duì)所有接入系統(tǒng)的液壓支架進(jìn)行控制，而閉鎖功能是對(duì)3 臺(tái)液壓支架進(jìn)行控制。試驗(yàn)系統(tǒng)共在系統(tǒng)中接入10 臺(tái)液壓支架，對(duì)7 號(hào)液壓支架分別進(jìn)行了急停與閉鎖操作，上位機(jī)顯示界面如圖5。急停控制了全部10 臺(tái)液壓支架，7 號(hào)急停顯示為深色模式；閉鎖狀態(tài)下，共對(duì)3 臺(tái)液壓支架進(jìn)行閉鎖操作，分別為6 號(hào)、7 號(hào)和8 號(hào)液壓支架，7 號(hào)閉鎖顯示為深色模式。系統(tǒng)的急停閉鎖邏輯控制準(zhǔn)確，系統(tǒng)反應(yīng)迅速。

圖5 急停閉鎖功能測(cè)試界面

3.2 系統(tǒng)控制功能測(cè)試

（1）切換控制模式功能

在上位機(jī)上將控制模式切換到遠(yuǎn)程模式下，選擇單動(dòng)作模式，選擇4 號(hào)支架進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，觀測(cè)液壓支架動(dòng)作與指令相同；選擇成組動(dòng)作模式，選擇4 號(hào)支架，選擇成組方向?yàn)橄蚝螅山M范圍為4～9，發(fā)出拉架指令后，上位機(jī)顯示4～9 號(hào)液壓支架同時(shí)進(jìn)行拉架操作，觀察4～12 號(hào)液壓支架實(shí)際動(dòng)作與上位機(jī)顯示相同。

（2）在線修改參數(shù)功能

試驗(yàn)人員在上位機(jī)參數(shù)修改界面對(duì)系統(tǒng)連接的10 臺(tái)液壓支架的支架數(shù)量、拉架最大距離和伸縮梁最長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行修改，參數(shù)修改后分別為支架數(shù)量10、拉架最大距離100 cm、伸縮梁最長(zhǎng)時(shí)間2 s。液壓支架控制器接收到修改參數(shù)信息后執(zhí)行命令，修改RAM 中對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，對(duì)液壓支架控制器的參數(shù)菜單進(jìn)行檢查，可以看出控制器參數(shù)與上位機(jī)修改的參數(shù)相同，表明通訊正常，在線修改功能實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）根據(jù)綜采工作面環(huán)境瓦斯?jié)舛雀咭约皩?duì)液壓支架實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、控制模式切換、狀態(tài)參數(shù)修改、液壓支架監(jiān)控歷史數(shù)據(jù)查詢等功能的需求，監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)選擇本安型防爆計(jì)算機(jī)。

（2）控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)液壓支架控制模式的切換、在線數(shù)據(jù)修改以及歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，其中集中控制模式能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人值守智能化操作，在線參數(shù)修改功能提升了系統(tǒng)對(duì)環(huán)境與不同型號(hào)液壓支架兼容的能力。

（3）設(shè)計(jì)了試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)功能、采煤機(jī)位置監(jiān)測(cè)、急停閉鎖功能、切換控制模式功能以及在線修改參數(shù)功能等進(jìn)行測(cè)試，表明監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)靈敏，控制功能有效。