礦用固體充填液壓支架監控系統設計與應用

賀 偉

（山西省高平市科興米山煤業有限公司，山西 高平 048400）

引言

近幾年，由于煤炭掘進產量的不斷提高，煤炭掘進廢棄物產量越來越多，隨意排放不僅污染煤礦周圍的環境、占用了較多的土地資源，而且過多廢棄物的開采會使采煤沉陷嚴重破壞地表生態環境、農業生產、人居條件等[1-3]。固體充填掘進工藝是一種綠色采煤技術，能夠有效解決煤炭開采帶來的廢棄物堆積、地表塌陷等問題[4]。固體充填液壓支架作為固體充填掘進工藝實現的設備保障，其結構組成中增加了充填支護部分，能夠確保煤礦工人與設備的安全[5]。控制系統作為固體充填液壓支架的重要組成部分，是保證其安全穩定運行的關鍵[6]。因此，針對某煤炭企業服役中的固體充填液壓支架自動控制水平較低的現狀，開展監控系統結構組成、硬件和軟件部分的設計工作，驗證其設計的合理性和有效性具有重要的意義。

1 固體充填液壓支架構成

固體充填液壓支架構成示意如圖1 所示，涉及頂梁、立柱、尾座及千斤頂、刮板輸送機等結構，由總體結構可以看出，其中頂梁設計為整體式，支柱結構為Y 形正四連桿，后梁位置設置了運輸固體充填材料的刮板輸送機。填充效果好壞與回填物料的壓實程度息息相關，主要取決于液壓支架的推壓密實機構，其主要結構包括2 個推壓密實千斤頂、1 個調高千斤頂、推壓密實框架、推壓密實梁，將其布置在后置刮板輸送機尾部落料位置，及時對固體充填物料進行推壓密實接頂。相較于目前使用的常規液壓支架，固體充填液壓支架新增了充填系統，達到了廢料的回填利用目的，實現了煤礦的綠色環保開采。

圖1 固體充填液壓支架構成示意圖

2 監控系統結構

根據綜采工作面內實際的支護情況，設計了監控系統結構，如圖2 所示。由圖2 可以看出監控系統組成涉及遠程監測與控制等功能，遠程監控功能的實現主要由電源、支架控制系統、井上控制部分和井下中央控制主機等部分構成。監控系統上位機的作用是實時監測礦井內部固體充填液壓支架的運行狀態，存儲歷史數據信息，為設備的運行維護提供設備運行趨勢數據信息。中央控制器用于控制固體充填液壓支架的位姿狀態，實現井下固體充填液壓支架的遠程控制。該監控系統的設計，達到了井下固體充填液壓支架運行狀態監測與遠程控制功能相結合的目的，對于提高井下固體充填液壓支架運行的安全性和可靠性意義重大。

圖2 監控系統結構

3 監控系統設計

3.1 硬件系統設計

3.1.1 可編程邏輯控制器

可編程邏輯控制器又稱為PLC，其具有控制功能強大、性能可靠、技術應用較為成熟的特點。考慮煤礦井下固體充填液壓支架的使用環境，選擇德國西門子S7-200 的PLC，體積小、功能全、編程技術成熟，足以滿足固體充填液壓支架監控系統的要求。PLC 配置如下：32 位數字量輸入接口，19 位數字量輸出接口，7 通道的模擬量輸入接口。結合實際的固體充填液壓支架控制需求，確定選擇1 個EM223 模塊作為數字量接口擴展時使用，選擇2 個EM231 模塊作為模擬量接口擴展時使用。可編程邏輯控制器使用的是CPU226，具有強大的數據分析處理能力，滿足監控系統的設計要求。

3.1.2 傳感器

采煤工作面內固體充填液壓支架監控系統中涉及的傳感器包括行程傳感器、落料高度檢測傳感器、傾角傳感器、壓力傳感器等。行程傳感器選擇型號為GUC2440 的本安型傳感器，具有很好的環境適應性，能夠可靠監測推壓密實機構的運行情況；落料高度檢測傳感器選擇型號為GUC8 本安型超聲波物位傳感器，用于檢測落料的實際高度；傾角傳感器GUD90B 礦用傳感器，用于檢測推壓密實機構的傾斜角度；壓力傳感器型號為GPD60 礦用壓力傳感器，用于檢測推壓密實機構的壓力。

3.1.3 控制面板

固體充填液壓支架的控制面板需要工作在井下復雜的環境中，首先需要考慮的就是控制箱材料的防護等級、殼體體積、控制面板的功能等。

根據監控系統控制面板的設計需要，選擇殼體的防護等級為IP68，面板界面如圖3 所示，具體的按鈕功能如下：A 表示開啟落料孔、B 表示關閉落料孔、C 表示推壓機構伸出、D 表示推壓機構縮回、E 表示擺梁收回、F 表示擺梁伸出、G 表示上翻、H 表示下翻、I 表示左單選、J 表示右單選、K 表示左成組選、L 表示右成組選。

圖3 監控系統控制面板

3.2 軟件系統設計

3.2.1 聯動控制程序

單臺固體充填液壓支架聯動控制程序工作流程如圖4 所示，系統接收充填指令之后傳輸至液壓支架控制器，啟動報警系統、延時保護，關閉報警之后啟動卸料孔卸料，卸料高度由物料傳感器檢測，達到預設值時關掉卸料孔。啟動推壓密實機構，包括推壓機構前伸，根據實時采集得到的行程數據和壓力數據進行分析，當推壓密實機構接觸填料時，收縮擺梁并獲取傾角數據。當推壓密實機構的行程和傾角達到預設數值時，收回推壓密實機構直至回到初始位置為止。

圖4 液壓支架聯動控制流程

3.2.2 液壓支架充填程序

固體充填過程需要多臺液壓支架共同完成，以充填輸送機尾至輸送機頭的順序為例說明液壓支架充填過程，具體如下：

1）第一個液壓支架打開卸料孔進行物料投放，與此同時，開啟第二個液壓支架的落料孔；

2）當第一個卸料孔的落料高度與預設值相等時，關閉卸料孔并開啟第三個卸料孔；

3）在對第一個液壓支架充填物進行壓實的同時對后兩個液壓支架進行卸料，第一個液壓支架壓實后再次進行卸料，同時關閉第二個卸料孔，對其進行壓實；

4）當第一個液壓支架填充完畢后，關閉卸料孔進行推壓密實，之后開啟第二個液壓支架的卸料孔卸料并推壓密實；

5）當前兩個液壓支架充填完畢之后對第三、第四、第五進行同樣的操作，以此類推直至完成整個工作面的充填工作。

3.2.3 移架控制程序

固體充填液壓支架因其增加了充填系統，移架時需要注意液壓支架尾部的充填系統狀態，移架的前提是充填完畢，推壓密實機構位于初始位置。以液壓支架升柱過程為例進行說明，監控系統的控制器為PLC，能夠不斷讀取控制指令，當收到升柱指令時，需進行報警提醒，延時5 s 之后執行升柱動作；升柱油缸上伸，監測液壓缸的行程和壓力，當行程與壓力達到預設值時，升柱完成。具體升柱流程如圖5 所示。

圖5 移架控制程序

3.3 人機交互界面設計

人機交互界面作為固體充填液壓支架監控系統的重要組成部分，其重要作用是為監控人員實時顯示井下固體充填液壓支架的運行狀態。監控系統主界面如圖6 所示，包括作業流程、運行參數、日期、歷史數據、報警記錄、系統控制等功能，其中實時數據、歷史數據等支持查看數據信息，退出系統可以直接退出組態軟件，報警記錄能夠實時顯示故障出現的位置及可產生的原因，達到固體充填液壓支架的集中控制與遠程監測的目的。

圖6 監控系統主界面

4 應用效果評價

依據固體充填液壓支架監控系統結構完成了系統的設計與搭建工作，為了驗證監控系統的設計可行性，將其應用于某煤礦服役中的固體充填液壓支架中進行試運行，系統運行穩定可靠，實現了井下固體充填液壓支架遠程監控功能。與之前的充填開采效率相比，自動控制系統的應用，大大提高了煤炭充填采掘的效率。統計充填工作面運行時的推移距離變化情況，如圖7 所示。由圖7 可以看出，11 月5日—21 日開始應用監控系統之后推進距離迅速提升，充填采煤效率得到了提升，單日推進距離高達140 m，效率提升近50%，取得了很好的應用效果。

圖7 充填工作面推進距離情況

5 結語

固體充填液壓支架作為煤炭綠色掘進的重要保障，其控制系統的技術水平要求較高。針對某煤炭企業服役中的固體充填液壓支架自動控制水平較低的現狀，開展了監控系統的設計工作。應用結果表明，監控系統運行穩定可靠，實現了井下固體充填液壓支架遠程監控功能。與之前的充填開采效率相比，自動控制系統的應用，提高了煤炭充填采掘的效率，單日推進距離高達140 m，效率提升近50%，驗證了監控系統設計的合理性和有效性。