互联网+液压支架智能耦合控制系统设计与实现

2017-03-24 16:53:56
采矿与岩层控制工程学报 2017年1期
关键词:立柱液压耦合

侯 刚

(天地科技股份有限公司 开采设计事业部,北京 100013)

青年论坛

互联网+液压支架智能耦合控制系统设计与实现

侯 刚

(天地科技股份有限公司 开采设计事业部,北京 100013)

互联网+液压支架智能耦合控制系统实现了顶梁、掩护梁、连杆和底座二维坐标角度、支架高度、工作面采高、工作面起伏角度、合力作用点的偏移情况、支架工作阻力、立柱压力、初撑力、循环末阻力、周期来压、支架扭曲度等耦合信息的实时检测,实现了高度自动检测及控制、支架姿态检测及控制、立柱压力检测及自动增压、合力作用点位置检测及调整、护帮板状态检测及控制、液压支架与围岩耦合关系的实时检测和自动控制,通过互联网技术使控制系统接入智能化矿山,使液压支架与围岩达到最佳的耦合关系。

互联网;智能;耦合;控制

综采工作面的设备正朝着自动化、智能化的方向发展,占综采设备主要投资的液压支架与围岩的耦合关系研究就显得尤为重要,互联网+液压支架智能耦合系统通过自主研发的智能耦合控制系统软件、多功能互联网监控主站、多功能互联网监控终端、无线兼有线自供电微功耗姿态传感器、无线兼有线自供电微功耗压力传感器集成上位机、交换机、电液控制器、其他传感器、液压主阀等设备通过互联网技术的综合使用,液压支架智能耦合系统通过对耦合关系的实时检测和控制,使液压支架和围岩达到了最佳的耦合关系,保证了综采面工作面液压支架安全、高效、长寿命地使用,对煤矿安全、高效和高采出率开采有着积极的推进作用[1-10]。

1 互联网+液压支架智能围岩耦合控制系统

1.1 智能耦合系统组成

液压支架智能耦合系统主要包括互联网上位机、互联网交换机、多功能互联网监控主站、多功能互联网监控终端、电液控制器、传感器、液压主阀等。每个支架配备多功能互联网监控终端和电液控制器,多功能监控终端和相应传感器、电液控制器相连,电液控制器和液压主阀相连。多功能互联网监控终端之间通过架间互联网相连接,最终接入多功能互联网监控主站,形成液压支架智能耦合井下互联网监控系统[11]。互联网+液压支架耦合控制系统经交换机进入井下环网上传到地面调度中心。

1.2 智能耦合系统主要监控功能

液压支架的角度状态是液压支架智能耦合关系的重要因素,其角度状态的监控主要包括:顶梁、掩护梁、连杆和底座二维平面坐标角度的实时监控。通过角度状态的监控可以得出支架立柱伸缩量、工作面高度、工作面起伏角度等信息。液压支架的工作阻力和压力也是液压支架智能耦合系统的重要因素,其监控范围主要包括:平衡、立柱、侧推等千斤顶工作阻力和压力等情况。通过平衡、立柱和侧推压力情况的监控与分析可以算出支架合力作用点的偏移情况、支架整体的工作阻力、立柱工作阻力等情况,通过综合系统分析可以得出当前支架的耦合状态信息,通过与电液控制系统的通讯实现对主阀的控制,使液压支架和围岩耦合关系自动调整,实现对液压支架初撑力不足的自动补液[12],压力低于设定值时进行自动补液,达到设定值时完成自动补液,自动补液不能完成时自动报警,当合力作用点偏移超过设定值时系统自动调整立柱和平衡油缸使液压支架减少合力作用点偏移,当耦合控制系统自动调整不能使合力作用点达到良好的偏移范围内时系统自动报警,通过耦合控制系统地自动调整使液压支架和围岩达到最佳的耦合关系。

1.3 智能耦合系统主要智能耦合功能

1.3.1 高度自动检测及控制

液压支架高度检测及控制是反映液压支架智能耦合关系的重要参数,通过安装在液压支架顶梁、掩护梁、连杆和底座的姿态传感器能实时准确地测量出工作面所有支架的高度,通过系统数据统计和实时数据采集,可以得出当前工作面液压支架高度参考线,根据参考线通过控制液压支架立柱和平衡千斤顶可以适当调整液压支架高度过低的支架升架,保证支架对顶板有效支护,调整支架过高的支架适当降架防止对顶板过度破坏,实现了支架高度和围岩的最佳耦合关系。

1.3.2 支架姿态检测及控制

液压支架的姿态检测及控制是反映其液压支架智能耦合关系的重要参数,顶梁、掩护梁、连杆和底座的二维角度地实时检测可以得出支架顶梁、掩护梁、连杆、底座的仰俯和倾斜角度得出各主要结构件间的扭曲度,实时掌握工作面每架液压支架的整体倾斜和仰俯角度,通过对整个工作面支架姿态的检测,可以根据数据的累计统计和实时检测得出当前姿态的变化情况,通过调整液压支架立柱和平衡千斤顶对液压支架的姿态进行调整[13],实现顶梁和顶板大面积的支护、防止结构件损坏、预防倒架、咬架,通过自动调整使液压支架始终处于良好姿态,实现了支架姿态和围岩的最佳耦合关系。

1.3.3 立柱压力检测及自动增压

液压支架立柱压力检测及自动增压也是反映液压支架智能耦合系统的又一重要参数,通过安装在两个立柱上的压力传感器可以实时掌握立柱压力情况,当立柱压力低于设定值时系统开始进行自动补液,达到设定值时完成自动补液,个别支架自动补液不能完成时自动报警[14]。通过立柱压力检测及自动补液使液压支架始终处于合理的工作阻力状态,实现了支架工作阻力和围岩的最佳耦合关系。

1.3.4 合力作用点位置检测及调整

根据液压支架受力状态分析得知支架合力作用点的范围,通过安装在液压支架的顶梁、掩护梁、连杆、底座的姿态传感器,安装在立柱和平衡千斤顶的压力传感器可以实时监测出合力作用点位置,当合力作用点超出最佳工作范围时,系统通过调整立柱和平衡千斤顶调整液压支架状态,使合力作用点处于合理的作用范围内,当耦合控制系统自动调整不能使合力作用点达到良好的工作范围时系统自动报警。通过对合力作用点的检测及调整使液压支架合力作用点始终处于合理工作范围,实现了液压支架合力作用点和围岩的最佳耦合关系。

1.3.5 护帮板状态检测及控制

通过安装在护帮板的姿态传感器可实时检测护帮板的状态,通过与采煤机定位系统的联动可实现自动打开或者收起护帮板,实现了采煤机与护帮板的自动联动。智能耦合控制系统通过互联网技术对当前工作面的数据进行综合分析,通过分析实时数据可以得出当前护帮板打出支护煤壁的强度,有效地预防了护帮板对煤壁的二次破坏。通过对护帮板状态的检测及控制,实现了护帮板对煤壁的及时支护,使护帮板与围岩达到最佳的耦合支护关系。

2 互联网+液压支架智能耦合系统硬件开发

本次研发出矿用本安型微功耗无线兼有线多功能互联网监控主站、矿用本安型微功耗无线兼有线多功能互联网监控终端、矿用本安型微功耗无线兼有线自供电姿态传感器及矿用本安型微功耗无线兼有线自供电压力传感器,通过对电液控制器和其他设备的改造集成完成了液压支架智能耦合系统的研发。

2.1 监控主站和监控终端硬件开发

矿用本安型微功耗无线兼有线互联网监控主站和矿用本安型无线兼有线通信多功能互联网监控终端在硬件上基本一致,只是软件功能有所区别,以多功能互联网监控终端为例,多功能监控终端无线通信部分具有两级网络,一级网络:终端与主站之间,终端与终端之间,自组网、大功率、远距离的一级网络通讯方式;二级网络:终端与节点(传感器)之间,以无线(或者总线方式)低功耗、小功率、近距离的二级网络通讯方式。监控终端具有开关量模拟量输入输出接口和按键设置功能。采用了工业级127mm总线型液晶屏显示装置,通过数字、图形和曲线等方式显示了监控终端的相关数据和功能,具有多画面展示和切换的功能。实现USB通信(可读写U盘)、以太网通信、RS485通信、RS232通信、CAN总线通信和光纤通信。采用了STM32微功耗处理单元,完成了对所有数据的采集、处理、发送、存储和其他功能的实现。通过智能电源切换、转换和管理单元完成了电池供电、外部供电、外部供电电压转换和电池自动充电的功能[15]。

2.2 姿态传感器硬件开发

姿态传感器主要由MCU核心处理模块、双轴角度测量模块、AD采集处理模块、无线射频收发模块、温度采集模块、RS485通信模块、内部电池模块、外部供电模块和智能电源切换、管理模块几部分组成。通过双轴角度测量模块测量出当前设备的前后仰俯和左右倾斜角度,通过AD采集模块对双轴角度数据进行模拟量到数字量的转换,然后传送给MCU核心处理单元,通过高精度温度传感器对当前设备的姿态数据进行复杂的运算校准,通过RS485通信模块将数据以总线的形式上传,也可通过无线射频收发模块将数据以无线的方式上传,姿态传感器既可以采用内部电池供电也可以采用外部电源供电,通过智能电源切换和管理模块可以实现内部和外部供电的智能切换及对电池的充电。

2.3 压力传感器硬件开发

压力传感器主要由MCU核心处理模块、压力测量模块、AD采集处理模块、温度补偿模块、无线射频收发模块、RS485通信模块、液晶显示模块、电池供电模块、外部电源和智能电源管理模块几部分组成。通过高精度压力测量模块测量出当前设备的压力值,通过AD采集模块完成对压力模块采集的模拟量数据到数字量数据的转换,转换后的数字量信号传送给MCU核心处理模块,通过温度补偿模块实现对温度漂移的补偿,通过核心处理的单元的运算得出当前的实时压力值,通过液晶显示屏对当前压力值进行实时高精度显示,同时显示最大压力值和电池电量值,通过无线射频收发模块可以将压力数据和电池电量数据发送给采集终端或上位机,压力数据和电池电量数据也可以通过RS485通信模块以总线的方式将数据上传。压力传感器的常用供电方式为自带电池供电,压力传感器同时具有外部电源供电接口,当有外部电源接入传感器时,传感器自动切换到外部供电的工作方式,并判断电池电量情况,如果电池电量不足可以对电池自动进行充电[16]。

3 液压支架智能耦合系统软件开发

智能耦合控制系统多功能一体化软件以Oracle为数据库,VS软件为上位开发软件,由数据分析程序读写数据库中的有效数据,通过客户端登录实现工作面液压支架智能耦合系统的综合监控,上位机同时具有数据的查询、分析、报表输出、远程访问、远程操作等诸多功能[16],液压支架姿态显示;液压支架姿态不合理及危险状况预警;液压支架初撑力、循环末阻力、周期来压等受力状况显示;液压支架受力不合理和危险状况预警;液压支架支护状态显示;液压支架支护状态不合理及危险情况预警;液压支架保障信息显示;液压支架不合理使用和隐患预警;多种显示方式、查询方式和报表形式[17];监控界面可以通过选项实现工作面整体信息和单架信息的显示,可以通过数字、直方图、曲线等不同的针对性的显示方式进行各种数据和参数的查询和实时显示。

4 设计实现及效果分析

4.1 液压支架智能耦合控制系统应用试验

ZFY18000/28/53D液压支架进行了地面应用试验,其系统由3台主机、2台多功能监控终端、2套电液控制系统、2套主阀、10台姿态传感器、5个压力传感器、1个无线监控主站、5个机械指针式压力表、手持式角度仪、本安电源等设备组成。试验支架的高度由2.8m至5.3m,立柱每升高约0.5m为1个测量基准点。再以立柱高度为测量基准点时,在顶梁近水平为一个测量点,在顶梁略低头为1个测量点,顶梁大幅度低头为1个测量点,顶梁略抬头为1个测量点,顶梁大幅度抬头为1个测量点,顶梁在每个立柱高度基准点时分别测5个测量点。除通过各无线传感器自动获得的数据外,在每个测量点稳定时,分别记录各机械指针式压力表的数据,通过手持式角度仪分别测量顶梁、掩护梁、前后四连杆和底座的角度。通过手持式激光测距仪或者卷尺测得不同测点时立柱高度变化、支架顶梁最前端距离支架所在地面的高度、支架顶梁最前端与支架底座的距离。不同工况条件下液压支架系统自动耦合的过程实验,所有记录数据(传感器自动获取的数据和人工手动记录的数据)均有时间为标志位,支架每个测点的静态到自动调整的整个过程不低于5min。最终试验结果证明液压支架智能耦合控制系统实现了对液压支架的自动耦合控制。

4.2 某矿放顶煤液压支架智能耦合控制系统试验

本次研发的产品在某煤矿6305工作面进行了井下工业性试验,在共33架中间架上全部安装了液压支架智能围岩耦合控制装置。根据数月的试验,结果显示:系统相对误差为-1.25%,最大偏差-3.2%,最小偏差-0.2%,平均偏差-1.5%,实现了液压支架与围岩关系的检测和调整,使液压支架和围岩支架达到了最佳的耦合关系。工业性试验过程中液压支架的姿态、压力、采高、合力作用点等其他相关参数和数据都可以通过上位机软件中的对比分析功能,对智能耦合控制调整后的效果进行直观的数据曲线等方式来显示,为矿井日后的生产过程提供重要的操作和作业规范依据。

5 结束语

由于综采工作面的生产条件复杂多变,液压支架与围岩耦合作用规律也是变化的,需要长期深入研究,为液压支架智能耦合控制提供更完善的理论依据。液压支架智能耦合控制是综采智能化的最重要组成部分,其系统布置的传感器较多,采集和处理的数据量大,下一步需要对存储到数据库的数据进行深入地二次开发和挖掘[18],同时,需要对工作面来压预测和工作面液压支架支护质量监测预警进行更深入研究,逐步完善互联网+液压支架智能耦合控制系统。

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[责任编辑:邹正立]

Intelligent Coupling Control System Design and Implementation of Internet and Hydraulic Support

HOU Gang

(Coal Mining & Designing Department,Tiandi Science & Technology Co.,Ltd.,Beijing 100013,China)

Coupling information real time detection were realized by intelligent coupling control system of internet and hydraulic support,which include roof beam,shield beam,two dimension coordinate angle of connecting rod and foundation,support height,mining height of working face,working face angle,working point excursion of resultant force ,support resistance force,column pressure,setting load,cyclic end resistance,periodic pressure,support torsion resistance and so on,and then height auto-detection and control,support position defection and control,column pressure detection and auto pressure boost,working point excursion position detection and adjustment,face guard state detection and control,coupling relationship between hydraulic support and surrounding rock were detected in real time and controlled automatic.The controlling system was connected to intelligent mine by internet technology,then the relationship between hydraulic support and surrounding rock reached the best coupling relation.

internet;intelligence;coupling;control

2016-03-15

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.01.026

国家重点基础研究发展计划(973计划)课题;深部围岩自适应支护原理及系统创成理论(2014CB046302)

侯 刚(1982-),男,辽宁丹东人,助理研究员,硕士,主要从事矿用监控系统设计和研发等方面的工作。

侯 刚.互联网+液压支架智能耦合控制系统设计与实现[J].煤矿开采,2017,22(1):105-108.

TD355.4

A

1006-6225(2017)01-0105-04

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