液壓支架工作面自動化控制系統的設計實現

張曉娟，李鵬飛

（1.晉能控股煤業集團虎龍溝煤業有限公司，山西 朔州 038300；2.晉能控股煤業集團馬脊梁礦，山西 大同 037001）

引言

煤炭是重要的能源形式，對工業及經濟的發展具有重要的支撐作用，煤礦產業生產效率的持續提升是煤礦生產的重點研究對象。在煤礦的開采過程中，液壓支架是廣泛使用的支撐設備，對工作面的支護及推進具有重要的作用，液壓支架與采煤機、刮板輸送機等進行協同作業進行煤炭的開采[1]。液壓支架的自動化是實現采煤作業的自動化及煤礦智能化開采的關鍵步驟。

液壓支架在工作過程中，需要自身獨立控制及與其他設備之間的協同控制，液壓支架的自動化控制主要針對電液系統進行控制[2]。從相鄰設備的控制向自動化集中控制的方式發展，是實現工作面自動化控制的主要方式。

1 液壓支架自動化控制系統的整體設計

針對液壓支架進行電液系統的控制，是實現液壓支架工作面自動化控制的最佳方式，考慮煤礦的智能化發展，對液壓支架的自動控制系統進行整體設計如圖1 所示。液壓支架自動化控制系統的網絡架構包含四個級別[3]，分別為地面的監測層、井下防爆計算機的監控層、液壓支架端頭控制器的監控層及液壓支架控制器的監控層。

圖1 液壓支架自動化控制系統整體方案架構

液壓支架的控制器與液壓系統的先導閥及液壓支架傳感器相連，直接對液壓支架的動作進行控制并進行實時監測，顯示并輸出液壓支架的狀態參數。端頭控制器是液壓支架自動化控制系統的重要組成，是進行系統信息傳輸的關鍵單元[4]。其作為井下監控網絡的中間組成，進行信息的傳輸及采集，并可對液壓支架控制器進行遠程的指令下發及狀態查詢，并可響應防爆計算機的指令，執行相應的功能。井下的防爆計算機為系統井下部分的最高監控層，具有豐富的人機交互界面，可通過端頭控制器實現對液壓支架的遠程控制，并查詢現場的參數信息。地面的監控層僅具有遠程監控的功能，而不能對井下的液壓支架進行遠程控制，這是為了保證井下設備的安全[5]，避免出現地面層的指揮錯誤，地面層的數據通過地面交換機及井下的防爆光纖交換機進行數據的傳輸及信息的交換。

2 液壓支架自動化控制系統關鍵功能的設計實現

2.1 控制系統端頭控制器通信系統的設計實現

由于液壓支架井下綜采工作面的環境惡劣，具有較強的電磁干擾，對控制系統的通信要求具有良好的實時性及抗干擾性，保證系統信息傳輸的可靠性。結合井下工作面的環境條件，選用RS485 總線通信的形式進行系統的通信設計。RS485 總線通信采用信號線之間的高低點評進行數據的判定，具有較好的抗干擾能力[6]。這種通信方式可使控制系統的通信距離達數千米，滿足井下綜采工作面長距離的傳輸需求。

控制系統的端頭控制器作為上傳下達的中間層，對其通信能力具有較高的要求。端頭控制器內部集成RS485 及CAN 總線兩種接口形式，其通信接口按照圖2 所示的結構進行設計。兩種總線的通信可通過軟硬件的配置實現切換互通，每個通信線路設置兩路，分別對井下的防爆計算機及液壓支架控制器進行通信連接。系統連接中采用雙絞線的設置，在接口處設置有撥碼開關對總線的通斷進行控制，從而對通信的外部切換進行控制。

圖2 端頭控制器通信接口設置

2.2 液壓支架狀態感知在線監測系統的設計實現

對液壓支架進行自動化的控制，需要實時地感知液壓支架的狀態，對現場的信息進行采集并上傳，同時在人機交互界面上可對液壓支架的信息進行查詢，從而利用現場的信息進行液壓支架的自動化控制。依據液壓支架的結構特征及作業特點，對液壓支架的參數感知信息設定如圖3 所示。參數信息包含兩個部分，一部分為經過傳感器進行采集的液壓支架模擬量數據，包括液壓支架的壓力、位移量及采煤機所在的支架編號；另一部分為液壓支架的控制系統的工作狀態數據，包括控制模式、是否存在急停支架、液壓支架的安全信息、通信信息等。

圖3 液壓支架的參數采集信息

依據液壓支架的參數采集信息，對液壓支架進行狀態感知在線監測，其實現方式如圖4 所示，支架的控制器連接有不同的傳感器，固定地進行模擬量信息的采集。當端頭控制器接收到上位機傳輸的查詢指令時，從機的液壓支架控制器將液壓支架的狀態信息反饋給主機的端頭控制器。整個的工作面自動化控制系統接收所有端頭控制器的數據，并進行分析計算存儲，傳輸給防爆計算機，通過循環的形式對所有的端頭控制器進行查詢，由此可以實現對液壓支架的遠程控制，提高系統的集中控制功能，并可進行液壓支架參數的在線查詢及修改，可以減輕井下的勞動強度，提高液壓支架控制效率。

圖4 液壓支架狀態感知在線監測系統

3 結語

液壓支架是進行煤礦綜采的重要支護設備，液壓支架的自動化控制對煤礦的自動化開采具有重要的意義。依據煤礦的智能化及信息化發展需求，并結合液壓支架的電液集中控制系統，設計了具有遠程控制及在線感知監測的液壓支架工作面自動化控制系統。

控制系統的網絡架構共分為四級，采用RS485通信的形式，具有較高的可靠性。依據液壓支架自動控制系統的需求，對關鍵系統的功能進行了設計開發，結合煤礦的生產特點，對控制系統端頭控制器通信系統進行了設計，實現對液壓支架的控制，并對液壓支架狀態感知在線監測系統進行了設計，實現對液壓支架的遠程監測及控制。液壓支架工作面自動化控制系統具有實用性強、可靠性高的特點，可應用于煤礦液壓支架的自動控制中，降低礦井的勞動強度，提高煤礦的生產效率。