仝部雷

（山西省煤炭職業(yè)中等專業(yè)學(xué)校（山西省煤炭職工培訓(xùn)中心）， 山西 太原 030012）

引言

SAC 型液壓支架智能控制系統(tǒng)以電液控制技術(shù)為基礎(chǔ)，通過電液換向閥將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成液壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)液壓支架的依據(jù)程序的自動(dòng)控制。SAC 型液壓支架智能控制圍繞感知、傳輸、控制技術(shù)，進(jìn)行液壓支架與工作面的設(shè)備、環(huán)境、工藝、流程等多維度耦合控制技術(shù)研究，進(jìn)一步增加通過對(duì)液壓支架姿態(tài)、位置以及工作面設(shè)備、環(huán)境、工藝、流程、位姿的感知，提升液壓支架執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制精度，進(jìn)行液壓支架與采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)設(shè)備之間的相互融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架的智能控制功能。

1 SAC 型液壓支架智能控制系統(tǒng)組成

SAC 型液壓支架智能控制系統(tǒng)主要由感知、控制、執(zhí)行等部件構(gòu)成，由支架控制器、驅(qū)動(dòng)器、壓力傳感器、行程傳感器、采煤機(jī)位置傳感器偶合器、信號(hào)轉(zhuǎn)換器、電源箱、連接電纜、電液換向閥組（電磁先導(dǎo)閥+主閥）順槽監(jiān)控主機(jī)、遠(yuǎn)程操作裝置和地面監(jiān)控中心服務(wù)器等組成[1]。

工作面每臺(tái)液壓支架上配置一套支架控制單元，支架控制器為支架控制單元核心控制部件，支架控制單元包括支架控制器、電磁驅(qū)動(dòng)器，在推移千斤頂上安裝有行程傳感器，用于檢測(cè)支架推移行程，在立柱上安裝有壓力傳感器，用于檢測(cè)支架頂板壓力，在采煤機(jī)上安裝有紅外發(fā)射器，在每臺(tái)液壓支架上安裝有紅外接收器，用于檢測(cè)采煤機(jī)所處的位置和運(yùn)行方向。

2 SAC 型液壓支架智能控制系統(tǒng)工作原理

SAC 型液壓支架智能控制系統(tǒng)通過在液壓支架上布置大量的感知元件，對(duì)液壓支架運(yùn)行工況進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)液壓支架與采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、泵站的耦合控制，實(shí)現(xiàn)液壓支架對(duì)工作面的圍巖耦合支架控制器是SAC 型液壓支架智能控制系統(tǒng)的核心部件，支架控制器內(nèi)置計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在支架控制器上設(shè)置有總線和鄰架線兩個(gè)通道的通信鏈路，支架控制器可以接收來自鄰架和遠(yuǎn)程終端設(shè)備發(fā)出的指令，通過其內(nèi)置的計(jì)算機(jī)控制程序進(jìn)行解析，向本架驅(qū)動(dòng)器發(fā)出支架動(dòng)作控制指令，驅(qū)動(dòng)器導(dǎo)通對(duì)應(yīng)的電磁先導(dǎo)閥，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成液壓信號(hào)，并通過主閥將液壓信號(hào)放大，推動(dòng)油缸動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架的控制。在液壓支架動(dòng)作過程中，通過檢測(cè)相關(guān)傳感部件，以確定停止油缸動(dòng)作的時(shí)機(jī)。

為了滿足現(xiàn)場(chǎng)安裝使用與維修需求，支架控制器可以將人機(jī)交互組件和驅(qū)動(dòng)組件單獨(dú)分離出來，形成了人機(jī)界面、驅(qū)動(dòng)器等多種結(jié)構(gòu)形式。早期煤科總院太原研究院研制的JKT1 型和YLT 型的支架控制器，采用直接驅(qū)動(dòng)電磁先導(dǎo)閥的控制模式。SAC 型液壓支架智能控制系統(tǒng)采用ZDYZ 型系列支架控制器。具有適合于薄煤層使用的一體化控制器，適用于中厚煤層使用的16 功能控制器、20 功能控制器+人機(jī)界面和適應(yīng)大采高、放頂煤使用的26 功能控制器+驅(qū)動(dòng)器等多種形式。前兩種形式控制器直接驅(qū)動(dòng)電磁先導(dǎo)閥進(jìn)行控制，26 功能控制器既可直接驅(qū)動(dòng)16 功能8 組電磁先導(dǎo)閥，也可帶電磁驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)26 功能13 組電磁先導(dǎo)閥。

3 SAC 型液壓支架智能控制系統(tǒng)功能

3.1 基本功能

SAC 型液壓支架電液控制系統(tǒng)具有本架單動(dòng)作程序控制功能，可以實(shí)現(xiàn)本架推溜動(dòng)作的程序控制；具有鄰架單動(dòng)作控制功能，可以實(shí)現(xiàn)單動(dòng)作連鎖控制；具有單架程序控制功能，可以實(shí)現(xiàn)單架自動(dòng)移架程序控制；具有成組控制功能，可以實(shí)現(xiàn)成組支架的護(hù)幫板收/伸動(dòng)作控制、成組支架自動(dòng)化移架控制，程序支架推溜動(dòng)作控制；具有急停、閉鎖、停止等安全操作功能；具有順槽監(jiān)控中心和地面的遠(yuǎn)程操作控制功能[2]。

3.2 智能控制功能

1）智能補(bǔ)壓控制。通過在液壓支架立柱上安裝壓力傳感器，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)液壓支架對(duì)工作面頂板的支撐壓力，當(dāng)液壓支架立柱油缸由于密封件損壞、液壓閥損壞等問題出現(xiàn)泄漏，導(dǎo)致液壓支架對(duì)工作面頂板支撐壓力不足時(shí)，電液控制系統(tǒng)將自動(dòng)啟動(dòng)支架升柱功能，使液壓支架對(duì)工作面頂板支撐壓力達(dá)到預(yù)先設(shè)定的初撐力，確保工作面頂板的支撐壓力，從而實(shí)現(xiàn)工作面圍巖智能耦合。

2）液壓支架跟機(jī)控制。液壓支架可以根據(jù)采煤機(jī)位置，依據(jù)采煤工藝，自動(dòng)完成工作面液壓支架的收伸護(hù)幫板、移架、推溜等動(dòng)作，隨著采煤機(jī)速度的不斷變化，液壓支架將會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)跟機(jī)移架支架同時(shí)動(dòng)作的數(shù)量，并提出泵站供液能力需求

3.3 遠(yuǎn)程遙控與集中控制功能

1）液壓支架遙控。通過將無線通信方式接入到支架控制器中，使用支架遙控器進(jìn)行液壓支架的動(dòng)作控制，進(jìn)行人員定位與安全管理技術(shù)研究，針對(duì)全向天線垂直能量分布實(shí)現(xiàn)基于RSS 定位智能識(shí)別，對(duì)操作人員進(jìn)行自主定位，將操作人員所在支架進(jìn)行軟件閉在方便操作的同時(shí)，確保操作人員的安全性能，遙控方式特別適合薄煤層和大采高場(chǎng)用[3]。

2）液壓支架遠(yuǎn)程集中控制。將工作面液壓支架控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)、視頻、語(yǔ)音信息集中傳輸?shù)酱笙锉O(jiān)控中心或地面調(diào)度室的計(jì)算機(jī)上，依據(jù)支架監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)畫面，視頻畫面，并通過建立液壓支架模型和工作面相關(guān)設(shè)備、礦井環(huán)境模型，將工作面數(shù)據(jù)匯集，驅(qū)動(dòng)三維仿真模型，實(shí)現(xiàn)工作面的在線模擬仿真，操作人員可以從不同的視角觀察工作面設(shè)備的運(yùn)行狀況，并通過遠(yuǎn)程操作裝置，對(duì)液壓支架自動(dòng)化動(dòng)作進(jìn)行遠(yuǎn)程干預(yù)控制。

4 SAC 型液壓支架智能控制關(guān)鍵技術(shù)

SAC 型液壓支架智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)液壓支架智能感知、數(shù)據(jù)匯集、大數(shù)據(jù)分析、控制模型與反饋控制，通過對(duì)運(yùn)行工況環(huán)境的分析與學(xué)習(xí)，使設(shè)備具有自主學(xué)習(xí)能力，提高設(shè)備的自適應(yīng)性能。

4.1 SAC 型液壓支架姿態(tài)智能化控制

4.1.1 支架姿態(tài)控制及其防傾倒智能化控制

在液壓支架的底座、頂梁、掩護(hù)梁、前連桿等結(jié)構(gòu)上安裝傾角傳感器，可以準(zhǔn)確地描繪液壓支架的姿態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)液壓支架運(yùn)行姿態(tài)的在線檢測(cè)。對(duì)于大采高液壓支架來說，隨著采高的加大，質(zhì)量加大，重心加高，其穩(wěn)定性較普通液壓支架差，更容易發(fā)生傾倒等問題。通過液壓支架重心計(jì)算模型，可以得到液壓支架在各種姿態(tài)下的重心軌跡曲線，支架的重心位置越低，液壓支架所處的狀態(tài)就越穩(wěn)定，在液壓支架護(hù)頂?shù)认嚓P(guān)約束條件下，在液壓支架控制程序中建立自我學(xué)習(xí)決策能力，可以實(shí)現(xiàn)液壓支架防傾倒的智能控制功能。當(dāng)液壓支架在某種姿態(tài)下重心偏離穩(wěn)定區(qū)域時(shí)，將自動(dòng)啟動(dòng)保護(hù)模式，使液壓支架自動(dòng)控制到與其姿態(tài)最接近穩(wěn)定區(qū)域的一種姿態(tài)。

4.1.2 支架護(hù)幫板姿態(tài)控制及其圍巖耦合智能控制

在液壓支架的一級(jí)護(hù)幫板上安裝行程傳感器，通過控制一級(jí)護(hù)幫板行程，防止片幫煤垮落到支架內(nèi)。同時(shí)在液壓支架跟機(jī)收回護(hù)幫板的過程中，多架的護(hù)幫板可以逐次收回，以提高護(hù)幫板的收回速度，確保液壓支架護(hù)幫板收回動(dòng)作與采煤機(jī)速度相匹配。同時(shí)，三級(jí)護(hù)幫板上安裝接近傳感器，當(dāng)三級(jí)護(hù)幫板完全收回到位時(shí)，發(fā)出檢測(cè)信號(hào)防止護(hù)幫板結(jié)構(gòu)件未收到位造成的結(jié)構(gòu)件干涉碰撞損壞。

在液壓支架的一級(jí)護(hù)幫板上安裝壓力傳感器，通過控制一級(jí)護(hù)幫板頂在煤壁上的支撐壓力，實(shí)現(xiàn)護(hù)幫板對(duì)煤壁的主動(dòng)支撐，當(dāng)對(duì)煤壁的支撐壓力不足時(shí)，將自動(dòng)開啟補(bǔ)壓功能以保證液壓支架護(hù)幫板對(duì)煤壁達(dá)到有效的支撐力，與液壓支架立柱的自動(dòng)補(bǔ)壓功能可以共同完成對(duì)工作面頂板和煤壁的有效管理，從而實(shí)現(xiàn)液壓支架的圍巖智能耦合。同時(shí)，還可以防止在液壓支架在護(hù)幫板收回后有大塊煤垮落砸壞立柱油缸或卡在支架與電纜槽之間造成支架無法推移等事故。

4.2 礦壓分析與工作面周期來壓智能預(yù)報(bào)

通過將工作面推進(jìn)過程中的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、篩選、分析，找出工作面頂板壓力變化的內(nèi)在規(guī)律，對(duì)工作面支護(hù)質(zhì)量及支護(hù)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)工作面周期來壓進(jìn)行智能預(yù)報(bào)的研究探索

4.3 SAC 型液壓支架與采煤機(jī)的耦合智能化控制技術(shù)

利用紅外發(fā)射和接受裝置，可以實(shí)現(xiàn)工作面采煤機(jī)的準(zhǔn)確定位，同時(shí)將采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)的采煤機(jī)位置參數(shù)通過自動(dòng)化綜合系統(tǒng)傳輸?shù)揭簤褐Ъ苤悄芸刂葡到y(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)位置的冗余檢測(cè)，提高采煤機(jī)位置的可靠性。

液壓支架將采煤機(jī)前方護(hù)幫板收回信息及時(shí)報(bào)送采煤機(jī)控制系統(tǒng)，液壓支架與采煤機(jī)幾何位置耦合，防碰撞智能控制。

移架后，自動(dòng)完成支架推溜控制。為了提高跟機(jī)自動(dòng)化的可靠性與穩(wěn)定性，采用“機(jī)架協(xié)同”方式實(shí)現(xiàn)跟機(jī)自動(dòng)化控制，采煤機(jī)依據(jù)液壓支架動(dòng)作完成情況控制采煤機(jī)割煤，如其條件未達(dá)成將設(shè)備掛起，處于等待階段，等條件具備后再執(zhí)行下一步的工作，從而提高設(shè)備成套化自動(dòng)化的自適應(yīng)能力，使其生產(chǎn)過程效率最大化。

4.4 SAC 型液壓支架與泵站系統(tǒng)的耦合智能化控制技術(shù)

在工作面主管路上安裝壓力傳感器，對(duì)液壓支架供液系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行感知，對(duì)供液系統(tǒng)行情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，并可以依據(jù)工作面液壓支架動(dòng)作需求，對(duì)泵站系統(tǒng)及時(shí)提出供液需求以確保液壓支架動(dòng)作快速準(zhǔn)確。當(dāng)提高采煤機(jī)速度時(shí)，跟機(jī)過程中需要更多的液壓支架同時(shí)動(dòng)作才能保證跟機(jī)移架護(hù)頂，同時(shí)在泵站供液系統(tǒng)能力保持不變時(shí)，將使工作面的壓力衰減，從而會(huì)影響工作面液壓支架的移架速度。因此，依據(jù)液壓支架跟機(jī)速度的要求，液壓支架電液控制系統(tǒng)向泵站控制系統(tǒng)提出了液壓支架同時(shí)動(dòng)作數(shù)量的供液需求，泵站控制系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)該需求，決定開啟泵站的數(shù)量，從而保證工作面液壓支架在多架動(dòng)作時(shí)能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成支架的推移動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)液壓支架與泵站供液系統(tǒng)的智能調(diào)度。

4.5 SAC 型液壓支架與刮板輸送機(jī)系統(tǒng)的耦合智能化控制

液壓支架推溜動(dòng)作需要依據(jù)刮板輸送機(jī)的負(fù)荷進(jìn)行智能控制，當(dāng)刮板輸送機(jī)負(fù)荷達(dá)到規(guī)定的閾值時(shí)，電液控制系統(tǒng)將液壓支架推溜動(dòng)作掛起，當(dāng)其負(fù)荷小于規(guī)定閥值時(shí)，再次啟動(dòng)推溜動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)液壓支架與刮板輸送機(jī)的智能耦合控制。

5 實(shí)踐應(yīng)用分析

SAC 型液壓支架智能控制系統(tǒng)在云岡礦、西曲礦、寺河礦等大型煤礦進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用，該系統(tǒng)的應(yīng)用滿足了礦井工作面生產(chǎn)智能化和自動(dòng)化的要求，起到了提產(chǎn)增效的積極作用，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了較好的社會(huì)安全效益和經(jīng)濟(jì)效益，可以在全國(guó)煤礦進(jìn)行推廣應(yīng)用。