液壓支架組智能控制系統的優化研究

李 玉

（山西省煤炭建設監理有限公司，山西 太原 030012）

引言

液壓支架是煤礦井下支護系統的核心，其工作的穩定性和安全性直接決定了井下綜采作業的效率和經濟性，隨著井下綜采作業自動化程度地不斷提升，對綜采面采煤機、液壓支架聯動運行的要求也不斷提高，目前井下液壓支架組的控制方式極為簡單，主要是通過人工判斷各液壓支架相對采煤機的位置，根據采煤機的運行狀態逐個調節支架的支護狀態，但該控制邏輯的控制效率低下、一致性差，無法滿足智能化綜采面上精確、聯動控制的需求，極大的影響了煤礦井下綜采作業效率和安全性。

結合采煤機、液壓支架的聯動控制需求，本文提出了一種新的液壓支架組智能控制系統，以多傳感器監測為基礎，實現對各液壓支架支護狀態及采煤機相對位置的精確監測，通過預設的控制邏輯對各支架的支護狀態進行自動監測和調整，從而有效避免了因人工調節不及時導致的采煤機和支架護幫板干涉、支護失穩等異常，根據實際應用表明該支架組智能控制系統能夠顯著提升井下液壓支架組調整的穩定性和精確性，為實現煤礦井下無人化綜采作業奠定了基礎。

1 液壓支架組智能控制系統

通過對液壓支架組控制需求的分析，結合采煤機、液壓支架的聯動工作要求，本文所提出的煤礦井下液壓支架智能控制系統整體結構如圖1 所示，具有整體結構簡單、模塊化程度高、控制精確性好的優點[1]。

由圖1 可知，該控制系統主要包括了地面控制中心和井下工作站，地面控制中心主要用于對井下各液壓支架的支護狀態進行監測，及時將異常信息顯示到控制中心，便于操作人員及時進行控制調整，同時該控制中心還具備發出遠程控制指令的能力，便于實現對井下各支架支護狀態的遠程控制。

圖1 液壓支架組智能控制系統結構示意圖

井下工作站是該智能控制系統的核心，主要包括數據通信系統、支架控制器單元、傳感器監測單元和電液換向閥執行單元。傳感器監測單元主要是各個液壓支架的支護姿態、支架和采煤機的相對位置進行判斷，為系統進行聯合控制提供基礎數據信息。

支架控制器單元主要用于收集各傳感器的數據信號，對所控制的液壓支架的支護狀態進行判斷，同時接受來自地面控制中心的數據信息，將其轉換為控制信號，傳遞給電壓換向閥執行單元，通過改變電壓換向閥的閥芯狀態來調整各液壓支架的支護狀態。數據通信單元主要是RS485 通信總線[2]，具有結構簡單、數據通信量大、抗干擾能力強的特點，主要用于聯系各類傳感器和執行單元，使其形成一個完整的數據通信網絡，滿足聯合精確控制的需求。

2 支架控制器硬件構成

由于井下地質條件較為復雜，而且隨著采煤機綜采作業地進行，液壓支架需要不斷地調整狀態來滿足支護安全性的需求，因此在支架控制器上需要集成對液壓支架支護狀態，相對于采煤機位置的檢測硬件控制模塊。

根據液壓支架工作時所應執行的動作和檢測要求，在支架控制器上需要集成位移傳感器，用于對支架移動距離進行監測。壓力傳感器，用于對支護壓力進行監測，判斷支護可靠性。行程傳感器，用于對液壓支架的支護高度進行監測。角度傳感器用于對護幫板收放狀態等進行監測。紅外接收器用于接收采煤機上發出的紅外信號，判斷支架和采煤機的相對位置。物料高度檢測傳感器主要用于充填液壓支架上監測充填物料的狀態。同時還需要在支架控制器上預留各類標準化的數據接口，滿足通信傳輸需求。通過在支架控制器上集成相關硬件控制器，實現了對支架組支護狀態的集中控制，對提升支架組運行一致性具有較好的作用。液壓支架控制器的硬件結構如圖2 所示[3]。

圖2 支架控制器硬件結構圖

3 液壓支架組智能控制流程

根據煤礦井下綜采作業工藝流程及該支架組智能控制邏輯，綜采作業過程中支架需要進行升柱、降柱、推溜、噴霧、收放護幫板等動作，采煤機和液壓支架配合綜采的流程如圖3 所示[4]。

圖3 支架與采煤機配合綜采流程圖

在綜采作業過程中，位于采煤機上的紅外線發射裝置不斷地發出紅外線信號，位于液壓支架上的紅外線接收器端子接收到紅外線信號后，根據與采煤機的夾角來判斷出其相對于采煤機的位置，然后將數據信息傳遞到智能控制系統內，系統根據各個液壓支架反饋的數據信息，判斷出各支架接下來所應執行的動作。然后系統集中發出支架調節信號，不同區域的支架分別進行升柱、降柱、推溜、噴霧、收放護幫板等動作，同時系統通過設置在支架上的間架控制器、端頭控制器等對支架執行動作的情況進行檢測，并將結果反饋給智能控制中心，通過閉環調整的方式滿足支架組的聯動控制要求，確保了井下液壓支架組合采煤機運行的統一性，有效提升了井下綜采作業的效率和安全性。

4 井下應用現狀分析

為了對該液壓支架智能控制系統的實際應用效果進行分析，本文對井下液壓支架智能控制系統應用前后的情況進行了對比，井下液壓支架上各類傳感器的布置結構如圖4 所示，在運行過程中其中一個液壓支架的支護參數變化情況如圖5 所示。

圖4 液壓支架上傳感器布置結構示意圖

圖5 液壓支架組支護參數變化示意圖

根據實際分析，采用了新的支架智能控制系統后，液壓支架能夠實現采煤機的跟機自動運行，根據定位，精度達到了±0.15 m，確保了各個支架跟機運行的精確性和可靠性，未出現因控制失效而導致的運行故障，解決了人工跟進移架效率低、安全性差的問題。同時對液壓支架組在跟機運行過程中的運行情況進行監測，當該液壓支架完成跟機支護動作后，其系統內各個支架的支護高度在1 699.3～1 701.8 mm 之間，各個支架頂梁支護的角度則均在-1.7°～0.85°之間，各個液壓支架支護過程中的推移控制曲線和預測值基本吻合，表現出了極高的跟蹤精度和準確性，滿足了煤礦井下自主跟機控制的要求。實現井下綜采面直接減員3 人，液壓支架支護效率提升了2.1 倍，對提升井下綜采效率和安全性具有十分重要的意義。

5 結論

1）該控制系統主要包括地面控制中心和井下工作站，具有整體結構簡單、模塊化程度高、控制精確性好的優點；

2）通過在支架控制器上集成相關硬件控制器，實現了對支架組支護狀態的集中控制，對提升支架組運行一致性具有較好的作用；

3）該智能控制系統，過閉環調整的方式滿足支架組的聯動控制要求，確保了井下液壓支架組和采煤機運行的統一性，有效提升了井下綜采作業效率和安全性；

4）新的控制系統將井下綜采面直接減員3 人，液壓支架支護效率提升了2.1 倍，極大地提升了井下綜采效率和安全性。