液压支架自动化集中控制方案及应用研究

高慧婷

（晋能控股集团同家梁矿，山西 大同 037025）

引言

采煤机、刮板输送机、液压支架为综采工作面的“三机”，其自动化程度、可靠性水平等决定综采工作面生产效率和安全性。对于液压支架而言，其控制系统主要依赖进口，导致实际生产中存在成本高、维修周期长及系统集成困难的问题，直接制约着我国煤矿自动化开采的瓶颈问题突破[1]。因此，实现液压支架自动化控制系统的国产化、智能化及集中性，对于保证煤矿生产效率和安全、降低生产成本具有重要意义。本文重点对液压支架自动化集中控制方案进行设计，并对其应用效果进行研究。

1 液压支架控制器的总体设计

为实现液压支架控制器集中控制功能的基础，主要直接与液压支架的电磁先导阀连接，接收手动或者自动的控制指令，以对液压支架的动作进行驱动控制；同时，液压支架控制器还可对现场传感器所采集的参数信息进行分析汇总，并上传至上位机及其他控制器。

简单的讲，液压支架单独控制器的核心处理单元为C8051F020单片机，包括两个数据处理单元和三总线结构。现场中，液压支架控制器之间采用电缆进行通信，通信协议为RS485。一般的，液压支架控制器的工作原理如图1所示。

图1 液压支架控制器工作原理图

结合综采工作面的生产需求，液压支架控制器需具备三种控制功能，分别包括就地控制、远程控制及集中控制。其中，就地控制和远程控制模式已经初步实现；而集中控制模式是本文研究的重点，旨在通过集中控制功能的设计，实现液压支架控制器与端头控制器及上位机等实现互通。根据采煤机、刮板输送机的工作状态自动完成拉架或追机等动作，最终达到综采工作面少人甚至无人的自动控制理想状态。鉴于综采工作面相对恶劣的工作环境，要求液压控制系统具备抗恶劣环境和强电磁干扰的能力，并且满足《国家爆炸环境用防爆电器设备要求》的相关标准要求[2]。结合液压支架的实际生产需求，其对应的控制器需满足如下技术指标要求：

1）为适应工作面高湿度、高瓦斯及粉尘浓度较高的工作环境，要求液压支架控制器的防护等级为IP67以上。

2）液压支架可根据生产工况输出相应的16路驱动信号，同时对5路模拟量信号和3路开关信号进行采集。

3）在实际支护过程中，控制器需对本体及采煤机、刮板输送机的工作状态进行监控，即需为液压支架控制器配置相应的位移传感器、压力传感器及红外信号传感器。各类传感器的指标如下：位移传感器主要是对液压支架推移千斤顶油缸的行程进行监测，要求位移传感器的精度为1 cm。压力传感器安装于液压支架立柱千斤顶内部，主要是对其所承受的压力进行监测，判断设备是否达到支护效果。结合生产需求，所配置压力传感器的最大测量值为60 MPa，测量误差控制在0.1%左右。红外信号传感器分为红外发射装置和红外接收装置，其中红外发射装置安装于采煤机本体，红外接收装置安装于控制器本体，主要作用是对采煤机进行定位，并根据位置采用液压支架完成相应的支护动作[3]。

2 液压支架集中控制方案的设计

2.1 液压支架集中控制功能

在上述液压支架控制器满足其基本生产需求的基础上，为进一步提升液压支架在综采工作面的自动化、智能化甚至无人化的控制能力，在基本液压支架控制器的基础上增加集中控制功能。液压支架集中控制功能具体如下：液压支架集中控制可对采煤机的实时位置、液压支架推移油缸及立柱支撑压力进行实时采集，并可通过通信路径上传至上位机；液压支架集中控制器可根据端头控制器发送的指令，实现对采煤机的跟机动作，并根据采煤机的位置完成自动拉架、推溜等操作流程。

液压支架集中控制器结构框图如图2所示。

图2 液压支架集中控制器结构框图

2.2 液压支架集中控制功能的实现

本文所研究工作面的长度为183 m，整条工作面中共有122台液压支架，且液压支架均为四立柱式，型号为ZZ8800-14/26D。根据采煤机动作的不同，对应的采煤机工作流程包括中间段采煤、斜切进刀采煤及截割三角煤[4]。本文重点对采煤机截割三角煤时的液压支架集中控制方案进行分析。采煤机截割三角煤工作面模拟示意图，如图3所示。

由图3所示，采煤机截割三角煤时的关键动作如下：将刮板输送机推移到水平位置，为下一循环斜切进刀和中间段煤层的开采作准备。对应的液压支架集中控制流程如图4所示。

图3 采煤机截割三角煤工作面模拟示意图

由图4所示，采煤机截割三角煤时，液压支架控制器根据端头控制器的指令将推移千斤顶的油缸行程推移至最大。同时，在推移过程中基于位移传感器判断是否推移到指定位置，并向采煤机发送下一阶段的开采指令。

图4 液压支架截割三角煤的集中控制工艺流程

3 液压支架集中控制的应用

为验证上述液压支架集中控制器对所有液压支架的集中控制性能，将液压支架集中控制器安装于工作面的每台液压支架中，并为其配置必需的控制器固定装置、压力传感器、位移传感器、红外信号传感器及电源等。结合工作面液压支架控制器的数量为122台，工作面共配置42台控制器电源，其中1台电源向端头控制器供电，另外41台向液压支架集中控制器供电。安装完毕后，在现场工作面主要对液压支架集中控制的单功能、成组功能、急停闭锁功能及传感器的信号采集功能进行测试[5]。

在为期三个月的生产测试中发现，液压支架集中控制功能可根据实际生产需求完成基本的控制功能，控制器能够根据工况灵敏、准确且快速地对液压支架的各种动作进行控制。但是，在实际试验中还发现液压支架控制器存在如下问题和不足：

1）液压支架控制器与电磁先导阀匹配性不高，在某些工况下出现控制器驱动能力不足的问题。

2）液压支架集中控制器的防潮处理还有待进一步改进。

4 结论

液压支架为综采工作面必不可缺的支护设备，其与采煤机和刮板输送机相配套。实现液压支架的自动化集中控制，对于保证综采工作面的生产效率和安全性具有重要意义。本文重点在传统液压支架控制器的基础上实现集中控制功能，并对集中控制功能进行工业性试验评估，总结如下：

1）液压支架控制器能够根据采煤机的实时位置进行自动拉架或者推溜控制；同时，基于集中控制器还能够对支架实时支护参数进行监测并与上位机进行通信。

2）液压支架集中控制器还存在一系列的问题，需在今后进一步改进优化，包括控制器的防潮处理及其与电磁先导阀匹配度不高的问题。