田成金，魏文艷，朱小林

（北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京 100013）

基于SAC型液壓支架電液控制系統(tǒng)的跟機自動化技術(shù)研究

田成金，魏文艷，朱小林

（北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京 100013）

重點介紹了基于SAC型液壓支架電液控制系統(tǒng)的整體構(gòu)成、主要功能及與跟機自動化技術(shù)密切相關(guān)的關(guān)鍵元部件;在此基礎(chǔ)上，闡述了滾筒采煤機綜采工作面跟機自動化技術(shù)的原理和實現(xiàn)方法，詳細闡述了綜采工作面跟機自動化技術(shù)的分類和全過程跟機自動化的循環(huán)周期階段，重點分析了雙向跟機自動割煤工藝的方法，包括工作面中間段的割煤工藝及工作面端頭三角區(qū)的割煤工藝方法;并對實際作業(yè)調(diào)試中遇到的問題進行了總結(jié)、分析，指出了下一步跟機自動化的發(fā)展需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。

液壓支架;電液控制;跟機自動化

煤炭的自動化開采技術(shù)是實現(xiàn)煤炭資源安全、高效、高采出率的重要手段。以液壓支架電液控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)的跟機自動化開采技術(shù)，作為工作面自動化技術(shù)最重要的組成部分，同時也是實現(xiàn)綜采工作面自動化開采必須解決的關(guān)鍵技術(shù)，在整個綜采工作面自動化系統(tǒng)中占據(jù)非常重要的位置。因此，根據(jù)前期的研究和實踐，對應用于滾筒采煤機綜采工作面的基于SAC型液壓支架電液控制系統(tǒng)的跟機自動化技術(shù)進行分析和探討。

1 SAC型電液控制系統(tǒng)構(gòu)成及主要功能

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

液壓支架電液控制系統(tǒng)集成了自動控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、電氣防爆技術(shù)、液壓技術(shù)、流體控制技術(shù)等先進技術(shù)，能夠?qū)C采工作面液壓支架實施多功能、自動化控制，是集電子、液壓控制為一體的成套控制設(shè)備，可控制全工作面的液壓支架。整個系統(tǒng)由工作面支架控制系統(tǒng)、巷道監(jiān)控系統(tǒng)、地面數(shù)據(jù)分析與信息發(fā)布系統(tǒng)三個層次組成。主要元部件包括支架控制器、人機操作界面、隔離耦合器、壓力傳感器、行程傳感器、采煤機位置檢測裝置、監(jiān)控主機、電源、電磁先導閥、電液控換向閥、液控單向閥、安全閥、過濾元件等。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

支架電液控制系統(tǒng)以支架控制器為核心，以檢測環(huán)節(jié) （傳感器）和動作執(zhí)行環(huán)節(jié) （由幾個電磁先導閥和液控主閥組成的閥組）為輔助設(shè)備組成一個最小支架控制單元，支架控制器的內(nèi)嵌操作系統(tǒng)一方面通過傳感系統(tǒng)完成工況、環(huán)境監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集，另一方面通過按鍵操作發(fā)出命令執(zhí)行支架的全部動作，每個支架控制單元之間以單線CAN總線技術(shù)互相連接成為一個通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，形成第一層次的工作面支架控制系統(tǒng)，實現(xiàn)控制器間的數(shù)據(jù)通信;第二個層次是巷道監(jiān)控主機與工作面支架控制單元通過網(wǎng)絡(luò)變換器連接形成上位機形式的監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)工作面支架電液控制系統(tǒng)的集中監(jiān)測監(jiān)控，在本層次中通過采煤機位置檢測裝置，確定采煤機在工作面的位置，實現(xiàn)工作面支架各千斤頂跟隨采煤機的遠程自動化動作，即跟機自動化操作，正是本文討論的重點部分;第三個層次是地面計算機與井下巷道監(jiān)控主機通過井下交換機連接互相通信獲取數(shù)據(jù)，在地面完成數(shù)據(jù)分析，形成網(wǎng)絡(luò)信息發(fā)布系統(tǒng)。

圖1 支架電液控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)主要功能

系統(tǒng)主要完成工況信息數(shù)據(jù)采集、鄰架自動控制、成組自動控制、跟機自動控制、礦壓數(shù)據(jù)分析等功能。工況信息數(shù)據(jù)是系統(tǒng)執(zhí)行自動控制功能的依據(jù)，鄰架自動控制是系統(tǒng)自動控制功能的初級功能，成組自動控制是建立在鄰架自動控制功能基礎(chǔ)上的中級控制功能，實現(xiàn)小組內(nèi)的支架的序列化動作;跟機自動化控制功能是系統(tǒng)自動化的高級功能，實現(xiàn)全工作面的自動化操作。另外，還有保障工作面安全的功能，包括閉鎖功能、緊急停止功能、動作預報警功能、自動補壓功能、帶壓移架功能等。

2 跟機自動化關(guān)鍵元部件

2.1 支架控制器

SAC－C支架控制器是支架電液控制系統(tǒng)的核心部件，是跟機自動化功能的命令終端執(zhí)行樞紐，是每一個最小支架控制單元的腦部中樞。主要功能包括:（1）采集支架工作阻力、支架行程及支架姿態(tài)等信息數(shù)據(jù)，并通過總線上傳到巷道主機;（2）依據(jù)采集到的數(shù)據(jù)和人機操作界面發(fā)出的指令驅(qū)動電磁先導閥閥桿動作，開啟小液孔驅(qū)動電液控換向閥的高壓液進入到油缸千斤頂相應的腔體完成支架的動作控制;（3）通過支架控制器間的物理連接和軟件協(xié)議實現(xiàn)支架與支架相互之間的數(shù)據(jù)傳遞;（4）存儲電液控制系統(tǒng)程序及參數(shù)。

SAC－C型支架控制器以最先進的ARM和Z80等芯片為核心，使用嵌入式技術(shù)，系統(tǒng)內(nèi)嵌操作系統(tǒng)，實時性能較高。另一方面將驅(qū)動電路與控制器融為一體，采用了單線CAN總線通訊技術(shù)及低功耗設(shè)計技術(shù)，在結(jié)構(gòu)上將易損的操作性部件與控制核心部件分置于不同的殼體內(nèi)，形成兩件式結(jié)構(gòu)。當操作性部件出現(xiàn)故障時，可以利用左右鄰架進行鄰架操作，不會影響支架的動作，提高了系統(tǒng)運行的可靠性和效率。其主要技術(shù)指標:額定工作電壓DC12V;額定工作電流小于130mA;20路開關(guān)量輸出;5路模擬量輸入;CAN總線波特率為19200～33300bps;CPU主頻大于等于22MB，F(xiàn)LASH內(nèi)存大于等于512kB，SRAM內(nèi)存大于等于512kB;防護等級為IP68。

2.2 傳感器

傳感器用于采集支架工作阻力、行程及支架姿態(tài)等信息數(shù)據(jù)，主要作用是實現(xiàn)液壓支架閉環(huán)控制過程中控制量的監(jiān)測與反饋，主要有如下3種:

（1）壓力傳感器 GPD60型壓力傳感器通過DN10液壓源接口插裝在立柱液控單向閥的DN10接口上，此接口與液壓支架立柱下腔相通，主要功能是用于檢測支架下腔的壓力即支架工作阻力，為支架控制器執(zhí)行的自動化操作提供實時的頂板壓力，作為自動化動作過程中的依據(jù)，實現(xiàn)液壓支架電液控制系統(tǒng)自動化功能的閉環(huán)控制，特別是在跟機自動化過程中執(zhí)行帶壓擦頂移架時，需要實時根據(jù)壓力參數(shù)作為依據(jù)執(zhí)行相關(guān)動作。主要技術(shù)指標:額定工作電壓DC12V;額定工作電流15mA;測量范圍0～60MPa;測量精度0～0.5MPa;模擬輸出量DC0.5～4.5V。

（2）行程傳感器 GUC（1200）－X型行程傳感器外部是一根細長 （φ17.2mm）的不銹鋼直管，內(nèi)部是一條沿著軸向規(guī)則排列的電阻列和干簧管列組裝成的電路板，整體安裝在液壓支架推移千斤頂內(nèi)，一端固定在千斤頂液壓缸端部，另一端插入到活塞桿中心的長孔中，活塞內(nèi)嵌裝著套在不銹鋼直管上的永久磁環(huán)。隨著活塞桿移動，磁環(huán)產(chǎn)生的磁場作用到磁環(huán)圓周所包圍的干簧管，使干簧管接點閉合，內(nèi)部電路形成閉環(huán)，得到一個微量輸出，再經(jīng)過變送器輸出得到標準的模擬電壓信號，根據(jù)行程值與電壓信號的對比關(guān)系得到行程值。其主要功能是為跟機自動化操作中液壓支架的自動移架提供前進量的行程依據(jù)。主要技術(shù)指標:防爆形式為本質(zhì)安全型;額定工作電壓為DC12V;額定工作電流為15mA;有效測量范圍為0～1200mm;對應輸出信號為0.71～3.55VDC或0.2～1mA;測量精度為3mm。

（3）傾角傳感器 GUD90A或GUD90B型傾角傳感器安裝于液壓支架的頂梁、四連桿、底座上，用于測量液壓支架頂梁或底座的俯仰角度、傾斜角度和支架高度等支架姿態(tài)參數(shù)，實現(xiàn)跟機自動化操作過程中液壓支架姿態(tài)的實時調(diào)整。主要技術(shù)指標為:防爆形式為本質(zhì)安全型;RS232接口方式;額定工作電壓為DC12V;額定工作電流為20mA;有效測量范圍為 0～90°;測量精度為0.3°。

2.3 采煤機位置檢測

采煤機位置是跟機自動化操作實現(xiàn)的依據(jù)，是最重要的參數(shù)之一，所有的跟機自動化動作序列都必須依靠采煤機的精準位置來實現(xiàn)。采煤機位置的表現(xiàn)形式以整數(shù)數(shù)字來表示，通常在1～300之間，表示采煤機的中間部位位于以整數(shù)數(shù)字編號的液壓支架的地方。目前該系統(tǒng)實現(xiàn)采煤機位置的方式有2種，分別是無線通訊采煤機位置計數(shù)檢測方式和紅外線檢測方式。

（1）無線通訊采煤機位置檢測裝置 主要由FUD50型發(fā)射機和SUD50型接收機2個單元構(gòu)成。發(fā)射機單元包括中央檢測發(fā)射控制器、采煤機位置檢測傳感器及觸發(fā)圓盤、采煤機位置校正傳感器及校正磁鐵等元部件。整套裝置采用了先進的無線電通訊技術(shù)，利用采煤機位置監(jiān)測傳感器對采煤機行走箱的齒數(shù)進行脈沖檢測計數(shù)，獲得采煤機的行走距離，在刮板輸送機上安裝1臺原點校正磁鐵，在采煤機上安裝1個采煤機校正傳感器，當采煤機經(jīng)過時，默認為原點，行走時通過對行走距離的加減，獲得采煤機位置。發(fā)射機單元安裝于采煤機上，整個工作面每隔30～50個支架安裝1臺無線接收機，發(fā)射機和接收機之間采用短距離無線載波的方式進行數(shù)據(jù)傳送。

采煤機位置監(jiān)測發(fā)射機 主要技術(shù)參數(shù):額定工作電壓12VDC;工作電流450mA;通信距離50～150m;系統(tǒng)誤差±200mm;工作頻段227.000～233.000MHz。

采煤機位置信息接收機 主要技術(shù)參數(shù):額定工作電壓12VDC;工作電流120mA;通信距離50～150m;系統(tǒng)誤差±200mm;工作頻段227.000～233.000MHz。

（2）紅外線采煤機位置檢測裝置 由GUH5－F型發(fā)射器及GUH5－S型接收器2個部分構(gòu)成。發(fā)射器安裝在采煤機上，接收器安裝在液壓支架立柱上，發(fā)射器的紅外二極管和接收器的紅外二極管必須面對面安裝。一個工作面在采煤機上安裝一個發(fā)射器，每個液壓支架安裝1個接收器。發(fā)射器每隔20ms定時發(fā)射紅外線信號，附近支架上的接收器接收到紅外線信號后轉(zhuǎn)發(fā)給支架控制器，由支架控制器對接收到的紅外線信號進行處理，得到采煤機位置數(shù)據(jù)。隨著采煤機行走，液壓支架上的接收器依次接收到紅外線信號，由此得到動態(tài)的采煤機位置，如圖2所示。

圖2 紅外線采煤機位置檢測

2.4 礦用本安型電液控制系統(tǒng)監(jiān)控主機

SAC－P型礦用本安型電液控制系統(tǒng)監(jiān)控主機安裝在工作面巷道操作臺中，配置有以太網(wǎng)接口、RS232接口、RS422接口、CAN總線通訊接口等，通過網(wǎng)絡(luò)變換器與工作面支架控制器連接形成完整的數(shù)據(jù)傳輸與監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。具有以下功能:匯集、存儲工作面支架控制器傳來的數(shù)據(jù)，并在屏幕上顯示數(shù)據(jù)信息;設(shè)置輸入控制參數(shù)，發(fā)出命令控制工作面支架;緊急停止支架的動作;在裝備有采煤機位置檢測系統(tǒng)的工作面，主控制器可與采煤機位置檢測系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信，監(jiān)視采煤機位置，實現(xiàn)以采煤機運行位置為依據(jù)的支架自動控制;井下主控計算機可通過本安型光纖環(huán)網(wǎng)交換機將電液控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)報送到地面調(diào)度指揮中心的工作面監(jiān)控主機上。主要技術(shù)指標如下:防爆型式為隔爆兼本質(zhì)安全型;接口有 CAN，RS485/422，USB，RS232，以太網(wǎng)等;主頻為0.5～1GHz;顯示屏43.18cm;操作系統(tǒng)為LINUX或WINDOWS。

3 跟機自動化技術(shù)

3.1 跟機自動化技術(shù)概念解析

跟機自動化技術(shù)是以采煤機位置信息為依據(jù)，根據(jù)工作面的回采工藝和作業(yè)規(guī)程，在采煤機位置前或后的設(shè)定距離上自動執(zhí)行相應的動作，全自動化地完成綜采工作面液壓支架和刮板輸送機跟隨采煤機行走的所有功能動作，主要包括自動推溜、自動移架、自動伸縮護幫板、自動噴霧等功能。其動作工藝流程見圖3。

圖3 跟機自動化動作工藝流程

采煤機當前位置 在輸送機上采煤機長度的中點位于工作面以整數(shù)數(shù)字代碼標識的支架位置。如圖3所示第26架，即表示采煤機當前位置為26。

移架距離 表示采煤機行走時距離采煤機位置最近的能夠執(zhí)行移架動作的支架與采煤機當前位置的間隔距離。如圖3所示中為7，表示距離采煤機當前位置為7的支架允許執(zhí)行移架動作。

移架范圍:移架距離后面能夠執(zhí)行移架動作的支架范圍。如圖3所示中為5，即在這個范圍內(nèi)的5個支架均可以執(zhí)行移架動作。

同理，推溜距離、伸、收護幫板距離表示執(zhí)行推溜動作和護幫板動作與采煤機位置的間隔距離。推溜范圍、伸、收護幫板范圍表示推溜和護幫板能夠動作的范圍。

根據(jù)圖3所示的動作工藝流程，當采煤機行走時，處于采煤機運行方向前的液壓支架自動收護幫板，運行方向后的液壓支架自動完成移架、伸護幫板、推溜的功能，實現(xiàn)綜采工作面自動化作業(yè)。

3.2 跟機自動化割煤工藝技術(shù)

根據(jù)不同的地質(zhì)條件和綜采工作面管理規(guī)定，跟機自動化的割煤工藝多種多樣，按照不同的分類標準細分為多種，例如按照割煤方向有單向跟機自動化割煤工藝、雙向跟機自動化割煤工藝;按照工作面三角區(qū)段的工藝不同分為全截深跟機自動化割煤工藝和半截深跟機自動化割煤工藝;按照割煤位置的劃分又分為中間段跟機自動化割煤和工作面端部跟機自動化割煤;按照自動推溜和自動移架的先后順序還可分為先推溜后移架模式和先移架后推溜模式。先推溜后移架模式的特點是采煤機過后支架能夠及時支護頂板，空頂面積小，過人通道窄，適用于頂板松軟地區(qū);而先移架后推溜模式的特點是采煤機過后空頂面積較大，過人通道較寬、最大限度方便行人通行，適合于頂板較好的回采工作面。本文就目前采用的比較多的綜合雙向跟機自動化、三角區(qū)全截深割煤、先推溜后移架模式的割煤工藝進行分析。

（1）工作面中部跟機自動化割煤階段 完全按照前述的跟機自動化割煤工藝流程的要求和先推溜后移架模式進行割煤。所謂先推溜后移架模式指的是在采煤機的后部 （行進方向為前）首先執(zhí)行采煤機截深定量的跟機自動化推溜操作，推溜區(qū)的后面執(zhí)行跟機自動化移架操作，做到及時有效地支撐頂板，防止冒頂事故的發(fā)生。

（2）三角區(qū)割煤工藝 一個循環(huán)周期有兩個端頭的三角煤區(qū)域，兩個區(qū)域各個階段的割煤工藝基本相同。

在第1階段過程中，采煤機自工作面中間階段向機頭方向割煤，按照先推溜后移架模式進行推溜和移架操作，直至采煤機到達機頭完成推溜和移架操作。如圖4所示。

第2階段，采煤機開始向機尾方向行走，在此過程開始階段，采煤機不割煤，一直到12號支架的彎曲段后采煤機開始割煤，在后面的滾筒離開12～14號支架后，依次執(zhí)行跟機自動化推溜和跟機自動化移架操作，直至所有支架移架到位，第2階段結(jié)束，如圖5所示。

圖4 第1階段過程

第3階段，采煤機向機頭方向行走，不割煤，目的是在下一過程中觸發(fā)支架的跟機自動化移架操作。采煤機到達機頭，此階段結(jié)束，見圖6。

圖5 第2階段過程

圖6 第3階段過程

第4階段，采煤機開始向機尾方向行走，在此過程中，采煤機不割煤，但是后部支架依次執(zhí)行跟機自動化推溜操作和跟機自動化移架操作，一直到25號支架后采煤機開始割煤，如圖7所示。

圖7 第4階段過程

4 結(jié)束語

基于SAC型液壓支架電液控制系統(tǒng)的跟機自動化技術(shù)在我國已得到了大量的應用，目前已應用70余個工作面，其中吉林煤業(yè)集團琿春礦業(yè)板石煤礦11906工作面配置了120架套SAC型液壓支架電液控制系統(tǒng)，2010年8月開始生產(chǎn)，實現(xiàn)了工作面跟機自動化生產(chǎn)。國家安監(jiān)總局和吉林省有關(guān)領(lǐng)導先后對該自動化工作面進行了視察并給予高度評價。

雖然基于SAC型液壓支架電液控制系統(tǒng)的跟機自動化技術(shù)取得了很大進步，但是還需要進一步提高自動化程度，加強與綜采工作面其他設(shè)備的配合，努力向無人跟機自動化方向發(fā)展，因此還必須攻克一些重要的關(guān)鍵技術(shù):

（1）煤巖界面自動識別技術(shù) 其作用是采煤機在行進過程中根據(jù)煤層的賦存條件自動調(diào)節(jié)滾筒割煤高度，正常割煤，避免滾筒割到頂、底板的巖石，是實現(xiàn)無人跟機自動化開采最重要的技術(shù)。

（2）綜采工作面的三維定位和自動找直技術(shù)

本技術(shù)的作用是在執(zhí)行跟機自動化作業(yè)時，保證工作面的刮板輸送機和液壓支架在煤流方向上始終處于直線狀態(tài)，避免因彎曲度過大導致設(shè)備的損壞，因此也成為無人跟機自動化技術(shù)發(fā)展亟待解決的重要技術(shù)。

［1］李首濱，韋文術(shù)，牛劍鋒.液壓支架電液控制及工作面自動化技術(shù)綜述 ［J］.煤炭科學技術(shù)，2007，35（11）:1－5.

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Automatic Following Coal-cutter Technology of Based on SAC Electrodraulic Control System in Powered Support

TIAN Cheng-jin，WEI Wen-yan，ZHU Xiao-lin
（Beijing Tiandi Make Electrodraulic Control System Co.，Ltd，Beijing 100013，China）

This paper introduced SAC electrodraulic control system＇s whole structure，main functions and key components related with following coal-cutter automation technology.On the basis of this，principle and realization method of following coal-cutter automation technology were present.It mainly introduced classification of this technology，recycling procedure of following coal-cutter，method of bidirectional coal cutting and automatic shifting powered supports，especially coal cutting technique in middle of face and face corners.Finally，it concluded the problems of this technology in actual mining and indicated key and urgent technologies in future.

powered support;electrodraulic control system;following coal-cutter automation

TD355.4

A

1006-6225（2012）01-0046-05

2011－07－13

天地科技創(chuàng)新基金項目 （TZ－JJ－2010－TM－2）

田成金 （1979－），男，山東臨沂人，工程師，碩士，從事綜采工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)和自動控制技術(shù)研發(fā)工作。

［責任編輯:鄒正立］