液壓支架智能化系統在億欣煤業的應用

張 輝

(晉能控股煤業集團 晉圣億欣煤業， 山西 晉城 048006)

0 引言

煤炭是我國的主要傳統能源之一，是國民經濟的重要動力來源，煤礦綜采工作面的智能化建設直接關系到我國國民經濟的發展和智能化進程。上世紀50年代，液壓支架誕生于英國。半個多世紀以來，隨著機械、電子、計算機等學科的發展，液壓支架經歷了幾代技術改進，在礦產開采特別是煤礦開采過程中發揮了極其重要的作用，每一次技術改進都顯著提高了煤礦的生產效率和安全水平。推動智能化技術與煤炭產業的融合發展，對于促進煤炭工業高質量發展具有重要意義。

1 電液控制系統的智能化技術

傳統的液壓支架是由手動液壓閥控制的，在煤礦綜采工作面中，由于液壓支架的控制復雜度顯著提升，工作時不僅要求每臺液壓支架能夠獨立完成十多個動作，而且還要求各臺液壓支架能夠相互協調控制，因此該控制方式已經不能滿足生產和安全要求，取而代之的是智能化水平高、控制精度高、安全性能好的電液控制液壓支架。其在開采過程中將以“煤機程序截割、支架自動跟機支護、智能監控系統整體協同保護”的方式進行，達到安全、高效、智能開采的目標，實現工作面有人巡視、無人操作的遠程可視化智能化開采。億欣煤業綜采工作面智能化系統建設以高端耐用型設備為基礎，以智能監控系統為手段，實現工作面的常態化智能開采。液壓支架系統智能化技術包括跟機自動化、姿態自主感知、遠程控制和故障診斷等。

2 液壓支架智能化系統配置

液壓支架應配備電液控制系統，實現全工作面跟機自動化、姿態自主感知及支架遠程控制功能。億欣煤業所建設的液壓支架單架配置如圖1所示，電液控制系統每臺支架配置1個支架警示燈，支架動作時警示燈閃爍(安全、閉鎖、急停)，從而保障人員通行安全。每臺液壓支架配備紅外線發射、接收裝置(集成控制器內)，與井下綜采工作面的采煤機實現聯合動作，并能與采煤機、刮板輸送機配合，實現自動割煤的采煤作業，在三角煤區域也能實現自動拉架、開采工藝參數化調整功能，可根據采煤工藝參數的設定調整自動化工藝和執行的動作。每臺支架安裝配置3臺壓力傳感器，量程為0～60 MPa，精度誤差≤0.9 MPa，本安型，防護等級≥IP67。每臺支架安裝配置1臺位移傳感器，量程為0～960 mm，精度0.5 mm，本安型，防護等級≥IP67，監測推移行程，配合電控調速閥實現支架精準推溜。每臺支架安裝配置3臺傾角傳感器，用于監測支架姿態和采高。除上述智能化傳感器以外，所有的支架均配備了自動噴霧系統，通過電液換向閥組進行控制，實現架前自動輔助采煤機噴霧除塵。

圖1 液壓支架單架配置示意圖

3 液壓支架智能化系統主要功能

3.1 跟機自動化

電液控制系統的基本功能有：控制液壓支架完成各種功能動作，可實現鄰架、隔架及成組控制操作，可實現本架電磁閥按鈕的手動操作；成組程序自動控制的內容包括推溜、噴霧、伸伸縮梁、護幫等；可實現一鍵“降架、移架、升架”的自動循環移架功能；可實現支架伸縮梁、護幫板、抬底、伸收側護板和噴霧自動參與自動循環移架功能等。通過不同的參數可調節液壓支架每個機構參與動作的時間以及動作工藝流程。在自動跟機模式下，電液控制系統根據采煤機位置自動完成伸收護幫、單架/成組移架、推溜和噴霧除塵等動作。

對電液控制系統在控制方式和響應速度等方面的需求如下：系統能實現工作面支架就地控制、集中控制、無線遙控、遠程控制及數據上傳，實現自動跟機移架，跟機移架時必須保證采煤機以10 m/min運行時支架隨動動作的可靠性；滿足支架與采煤機、刮板機在工作面中部自動割煤，兩端頭能實現割三角煤及清底煤；遠程控制響應時間≤300 ms，狀態反饋時間≤500 ms。電液控制系統為非主-從機型，當由于某種原因工作面控制系統與順槽集控系統斷開鏈接后，仍能完成各種操作和設置。

3.2 姿態自主感知

液壓支架對頂板的支撐壓力與其姿態具有密切聯系，如果液壓支架的姿態不合理，將會導致液壓支架受力不均衡，嚴重時可能導致其關鍵機械結構受損甚至發生人身事故。為了在跟機自動化過程中實現對姿態的實時監控，系統裝備了傾角傳感器、位移傳感器和壓力傳感器，每個液壓支架都能通過傳感器采集數據并傳到采集子站的外部RAM中，采集子站通過RS485傳輸到上位機，即監控主機中，監控主機通過對各類傳感器的數據進行計算和分析，對每個支架的姿態進行核驗，然后通過模擬動畫的形式顯示出來。

3.3 遠程控制

系統具備無線遙控功能，其信號穩定，控制距離不小于15 m，無線遙控位置就近與所在區域控制器提前配對，縮短支架遙控器配對讀碼時間，提高操作效率。無線遙控功能主要包括單架動作和成組動作。如圖2所示，控制器通過CAN總線與順槽主機進行遠距離通訊，順槽主機一方面通過控制按鈕控制液壓支架的動作，另一方面將液壓支架的相關信息在監控主機上顯示出來。在監控畫面中，監控人員可以通過狀態反饋、姿態監控和視頻輔助系統確定液壓支架的實際位置和姿勢。

圖2 液壓支架遠程控制示意圖

3.4 故障診斷

電液控制系統具備預警機制，當礦壓、安全閥、行程傳感器發生超過規定值和行程等異常情況時可進行自動聲音報警；電液控制系統具有礦壓分析功能，可檢測任意支架壓力隨時間實時變化的曲線，同時還可檢測所有液壓支架在任意時間的壓力分布情況，記錄瞬時最大壓力，將現場壓力數據以曲線或柱狀線形式進行顯示，實現歷史數據查詢功能，數據保存不小于2年；集控中心對支架的姿態及高度、立柱的工作壓力、推移千斤頂的行程、煤機的位置與方向進行監測，可在自動化主機上顯示、存儲，并將數據傳輸到調度中心。

3.5 自動補壓

支架在正常承壓時的壓力是固定的，當由于頂板松動導致液壓支架的下腔壓力低于固定值時，系統具備支架立柱自動補液功能，會自動將壓力補至初撐值，并且補償開啟壓力值、關閉壓力值可調。自動補壓功能的動作時間、開啟壓力和關閉壓力可單獨設置和屏蔽，具有帶壓移架功能。如圖3所示，當頂板壓力P的取值范圍為P

圖3 液壓支架自動補壓示意圖

3.6 接口和通信

控制系統具備傳感器接口擴展功能，為后期接入更多傳感器提供硬件支撐，無需更換現有控制系統。控制系統通過檢測通信系統實現對故障位置判斷、程序在線升級(架內程序自主檢測功能，并具備自動傳輸功能)、參數在線修改和傳輸等功能。除此以外，控制系統具有與自動化集控系統進行雙向通信的接口，并將系統內傳感器所有檢測數據和動作信號都傳輸給集控系統，同時具備第三方協同控制接口，具備后期自動化擴展功能，可根據要求開放給其他軟件平臺共享數據庫。電液控制系統監測所有電磁閥動作狀態，并實時上傳給集控系統。

4 結束語

為了實現采煤工作面無人值守的發展目標，推進煤礦行業“機械化換人、自動化減人、智能化作業”專項行動，對綜采工作面進行智能化改造是未來的發展方向。當前液壓支架電液控制技術的主要內容為基于順槽計算機的集控技術，這項技術的應用極大地提高了煤礦生產的效率和安全性。為了提高液壓支架的智能化程度，將來還需要結合大數據、物聯網等新興技術做更多有益探索。