高慧婷

（晉能控股集團(tuán)同家梁礦，山西 大同 037025）

引言

采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架為綜采工作面的“三機(jī)”，其自動(dòng)化程度、可靠性水平等決定綜采工作面生產(chǎn)效率和安全性。對(duì)于液壓支架而言，其控制系統(tǒng)主要依賴進(jìn)口，導(dǎo)致實(shí)際生產(chǎn)中存在成本高、維修周期長(zhǎng)及系統(tǒng)集成困難的問題，直接制約著我國(guó)煤礦自動(dòng)化開采的瓶頸問題突破[1]。因此，實(shí)現(xiàn)液壓支架自動(dòng)化控制系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化、智能化及集中性，對(duì)于保證煤礦生產(chǎn)效率和安全、降低生產(chǎn)成本具有重要意義。本文重點(diǎn)對(duì)液壓支架自動(dòng)化集中控制方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行研究。

1 液壓支架控制器的總體設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)液壓支架控制器集中控制功能的基礎(chǔ)，主要直接與液壓支架的電磁先導(dǎo)閥連接，接收手動(dòng)或者自動(dòng)的控制指令，以對(duì)液壓支架的動(dòng)作進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制；同時(shí)，液壓支架控制器還可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)傳感器所采集的參數(shù)信息進(jìn)行分析匯總，并上傳至上位機(jī)及其他控制器。

簡(jiǎn)單的講，液壓支架單獨(dú)控制器的核心處理單元為C8051F020單片機(jī)，包括兩個(gè)數(shù)據(jù)處理單元和三總線結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場(chǎng)中，液壓支架控制器之間采用電纜進(jìn)行通信，通信協(xié)議為RS485。一般的，液壓支架控制器的工作原理如圖1所示。

圖1 液壓支架控制器工作原理圖

結(jié)合綜采工作面的生產(chǎn)需求，液壓支架控制器需具備三種控制功能，分別包括就地控制、遠(yuǎn)程控制及集中控制。其中，就地控制和遠(yuǎn)程控制模式已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)；而集中控制模式是本文研究的重點(diǎn)，旨在通過集中控制功能的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)液壓支架控制器與端頭控制器及上位機(jī)等實(shí)現(xiàn)互通。根據(jù)采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)的工作狀態(tài)自動(dòng)完成拉架或追機(jī)等動(dòng)作，最終達(dá)到綜采工作面少人甚至無人的自動(dòng)控制理想狀態(tài)。鑒于綜采工作面相對(duì)惡劣的工作環(huán)境，要求液壓控制系統(tǒng)具備抗惡劣環(huán)境和強(qiáng)電磁干擾的能力，并且滿足《國(guó)家爆炸環(huán)境用防爆電器設(shè)備要求》的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[2]。結(jié)合液壓支架的實(shí)際生產(chǎn)需求，其對(duì)應(yīng)的控制器需滿足如下技術(shù)指標(biāo)要求：

1）為適應(yīng)工作面高濕度、高瓦斯及粉塵濃度較高的工作環(huán)境，要求液壓支架控制器的防護(hù)等級(jí)為IP67以上。

2）液壓支架可根據(jù)生產(chǎn)工況輸出相應(yīng)的16路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)對(duì)5路模擬量信號(hào)和3路開關(guān)信號(hào)進(jìn)行采集。

3）在實(shí)際支護(hù)過程中，控制器需對(duì)本體及采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，即需為液壓支架控制器配置相應(yīng)的位移傳感器、壓力傳感器及紅外信號(hào)傳感器。各類傳感器的指標(biāo)如下：位移傳感器主要是對(duì)液壓支架推移千斤頂油缸的行程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，要求位移傳感器的精度為1 cm。壓力傳感器安裝于液壓支架立柱千斤頂內(nèi)部，主要是對(duì)其所承受的壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，判斷設(shè)備是否達(dá)到支護(hù)效果。結(jié)合生產(chǎn)需求，所配置壓力傳感器的最大測(cè)量值為60 MPa，測(cè)量誤差控制在0.1%左右。紅外信號(hào)傳感器分為紅外發(fā)射裝置和紅外接收裝置，其中紅外發(fā)射裝置安裝于采煤機(jī)本體，紅外接收裝置安裝于控制器本體，主要作用是對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行定位，并根據(jù)位置采用液壓支架完成相應(yīng)的支護(hù)動(dòng)作[3]。

2 液壓支架集中控制方案的設(shè)計(jì)

2.1 液壓支架集中控制功能

在上述液壓支架控制器滿足其基本生產(chǎn)需求的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提升液壓支架在綜采工作面的自動(dòng)化、智能化甚至無人化的控制能力，在基本液壓支架控制器的基礎(chǔ)上增加集中控制功能。液壓支架集中控制功能具體如下：液壓支架集中控制可對(duì)采煤機(jī)的實(shí)時(shí)位置、液壓支架推移油缸及立柱支撐壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并可通過通信路徑上傳至上位機(jī)；液壓支架集中控制器可根據(jù)端頭控制器發(fā)送的指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)的跟機(jī)動(dòng)作，并根據(jù)采煤機(jī)的位置完成自動(dòng)拉架、推溜等操作流程。

液壓支架集中控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 液壓支架集中控制器結(jié)構(gòu)框圖

2.2 液壓支架集中控制功能的實(shí)現(xiàn)

本文所研究工作面的長(zhǎng)度為183 m，整條工作面中共有122臺(tái)液壓支架，且液壓支架均為四立柱式，型號(hào)為ZZ8800-14/26D。根據(jù)采煤機(jī)動(dòng)作的不同，對(duì)應(yīng)的采煤機(jī)工作流程包括中間段采煤、斜切進(jìn)刀采煤及截割三角煤[4]。本文重點(diǎn)對(duì)采煤機(jī)截割三角煤時(shí)的液壓支架集中控制方案進(jìn)行分析。采煤機(jī)截割三角煤工作面模擬示意圖，如圖3所示。

由圖3所示，采煤機(jī)截割三角煤時(shí)的關(guān)鍵動(dòng)作如下：將刮板輸送機(jī)推移到水平位置，為下一循環(huán)斜切進(jìn)刀和中間段煤層的開采作準(zhǔn)備。對(duì)應(yīng)的液壓支架集中控制流程如圖4所示。

圖3 采煤機(jī)截割三角煤工作面模擬示意圖

由圖4所示，采煤機(jī)截割三角煤時(shí)，液壓支架控制器根據(jù)端頭控制器的指令將推移千斤頂?shù)挠透仔谐掏埔浦磷畲?。同時(shí)，在推移過程中基于位移傳感器判斷是否推移到指定位置，并向采煤機(jī)發(fā)送下一階段的開采指令。

圖4 液壓支架截割三角煤的集中控制工藝流程

3 液壓支架集中控制的應(yīng)用

為驗(yàn)證上述液壓支架集中控制器對(duì)所有液壓支架的集中控制性能，將液壓支架集中控制器安裝于工作面的每臺(tái)液壓支架中，并為其配置必需的控制器固定裝置、壓力傳感器、位移傳感器、紅外信號(hào)傳感器及電源等。結(jié)合工作面液壓支架控制器的數(shù)量為122臺(tái)，工作面共配置42臺(tái)控制器電源，其中1臺(tái)電源向端頭控制器供電，另外41臺(tái)向液壓支架集中控制器供電。安裝完畢后，在現(xiàn)場(chǎng)工作面主要對(duì)液壓支架集中控制的單功能、成組功能、急停閉鎖功能及傳感器的信號(hào)采集功能進(jìn)行測(cè)試[5]。

在為期三個(gè)月的生產(chǎn)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，液壓支架集中控制功能可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求完成基本的控制功能，控制器能夠根據(jù)工況靈敏、準(zhǔn)確且快速地對(duì)液壓支架的各種動(dòng)作進(jìn)行控制。但是，在實(shí)際試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)液壓支架控制器存在如下問題和不足：

1）液壓支架控制器與電磁先導(dǎo)閥匹配性不高，在某些工況下出現(xiàn)控制器驅(qū)動(dòng)能力不足的問題。

2）液壓支架集中控制器的防潮處理還有待進(jìn)一步改進(jìn)。

4 結(jié)論

液壓支架為綜采工作面必不可缺的支護(hù)設(shè)備，其與采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)相配套。實(shí)現(xiàn)液壓支架的自動(dòng)化集中控制，對(duì)于保證綜采工作面的生產(chǎn)效率和安全性具有重要意義。本文重點(diǎn)在傳統(tǒng)液壓支架控制器的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)集中控制功能，并對(duì)集中控制功能進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)評(píng)估，總結(jié)如下：

1）液壓支架控制器能夠根據(jù)采煤機(jī)的實(shí)時(shí)位置進(jìn)行自動(dòng)拉架或者推溜控制；同時(shí)，基于集中控制器還能夠?qū)χЪ軐?shí)時(shí)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并與上位機(jī)進(jìn)行通信。

2）液壓支架集中控制器還存在一系列的問題，需在今后進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化，包括控制器的防潮處理及其與電磁先導(dǎo)閥匹配度不高的問題。