侯 剛

(天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013)

青年論壇

互聯(lián)網(wǎng)+液壓支架智能耦合控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

侯 剛

(天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013)

互聯(lián)網(wǎng)+液壓支架智能耦合控制系統(tǒng)實現(xiàn)了頂梁、掩護梁、連桿和底座二維坐標(biāo)角度、支架高度、工作面采高、工作面起伏角度、合力作用點的偏移情況、支架工作阻力、立柱壓力、初撐力、循環(huán)末阻力、周期來壓、支架扭曲度等耦合信息的實時檢測，實現(xiàn)了高度自動檢測及控制、支架姿態(tài)檢測及控制、立柱壓力檢測及自動增壓、合力作用點位置檢測及調(diào)整、護幫板狀態(tài)檢測及控制、液壓支架與圍巖耦合關(guān)系的實時檢測和自動控制，通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使控制系統(tǒng)接入智能化礦山，使液壓支架與圍巖達到最佳的耦合關(guān)系。

互聯(lián)網(wǎng)；智能；耦合；控制

綜采工作面的設(shè)備正朝著自動化、智能化的方向發(fā)展，占綜采設(shè)備主要投資的液壓支架與圍巖的耦合關(guān)系研究就顯得尤為重要，互聯(lián)網(wǎng)+液壓支架智能耦合系統(tǒng)通過自主研發(fā)的智能耦合控制系統(tǒng)軟件、多功能互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控主站、多功能互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控終端、無線兼有線自供電微功耗姿態(tài)傳感器、無線兼有線自供電微功耗壓力傳感器集成上位機、交換機、電液控制器、其他傳感器、液壓主閥等設(shè)備通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的綜合使用，液壓支架智能耦合系統(tǒng)通過對耦合關(guān)系的實時檢測和控制，使液壓支架和圍巖達到了最佳的耦合關(guān)系，保證了綜采面工作面液壓支架安全、高效、長壽命地使用，對煤礦安全、高效和高采出率開采有著積極的推進作用[1-10]。

1 互聯(lián)網(wǎng)+液壓支架智能圍巖耦合控制系統(tǒng)

1.1 智能耦合系統(tǒng)組成

液壓支架智能耦合系統(tǒng)主要包括互聯(lián)網(wǎng)上位機、互聯(lián)網(wǎng)交換機、多功能互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控主站、多功能互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控終端、電液控制器、傳感器、液壓主閥等。每個支架配備多功能互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控終端和電液控制器，多功能監(jiān)控終端和相應(yīng)傳感器、電液控制器相連，電液控制器和液壓主閥相連。多功能互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控終端之間通過架間互聯(lián)網(wǎng)相連接，最終接入多功能互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控主站，形成液壓支架智能耦合井下互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)[11]?；ヂ?lián)網(wǎng)+液壓支架耦合控制系統(tǒng)經(jīng)交換機進入井下環(huán)網(wǎng)上傳到地面調(diào)度中心。

1.2 智能耦合系統(tǒng)主要監(jiān)控功能

液壓支架的角度狀態(tài)是液壓支架智能耦合關(guān)系的重要因素，其角度狀態(tài)的監(jiān)控主要包括：頂梁、掩護梁、連桿和底座二維平面坐標(biāo)角度的實時監(jiān)控。通過角度狀態(tài)的監(jiān)控可以得出支架立柱伸縮量、工作面高度、工作面起伏角度等信息。液壓支架的工作阻力和壓力也是液壓支架智能耦合系統(tǒng)的重要因素，其監(jiān)控范圍主要包括：平衡、立柱、側(cè)推等千斤頂工作阻力和壓力等情況。通過平衡、立柱和側(cè)推壓力情況的監(jiān)控與分析可以算出支架合力作用點的偏移情況、支架整體的工作阻力、立柱工作阻力等情況，通過綜合系統(tǒng)分析可以得出當(dāng)前支架的耦合狀態(tài)信息，通過與電液控制系統(tǒng)的通訊實現(xiàn)對主閥的控制，使液壓支架和圍巖耦合關(guān)系自動調(diào)整，實現(xiàn)對液壓支架初撐力不足的自動補液[12]，壓力低于設(shè)定值時進行自動補液，達到設(shè)定值時完成自動補液，自動補液不能完成時自動報警，當(dāng)合力作用點偏移超過設(shè)定值時系統(tǒng)自動調(diào)整立柱和平衡油缸使液壓支架減少合力作用點偏移，當(dāng)耦合控制系統(tǒng)自動調(diào)整不能使合力作用點達到良好的偏移范圍內(nèi)時系統(tǒng)自動報警，通過耦合控制系統(tǒng)地自動調(diào)整使液壓支架和圍巖達到最佳的耦合關(guān)系。

1.3 智能耦合系統(tǒng)主要智能耦合功能

1.3.1 高度自動檢測及控制

液壓支架高度檢測及控制是反映液壓支架智能耦合關(guān)系的重要參數(shù)，通過安裝在液壓支架頂梁、掩護梁、連桿和底座的姿態(tài)傳感器能實時準(zhǔn)確地測量出工作面所有支架的高度，通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計和實時數(shù)據(jù)采集，可以得出當(dāng)前工作面液壓支架高度參考線，根據(jù)參考線通過控制液壓支架立柱和平衡千斤頂可以適當(dāng)調(diào)整液壓支架高度過低的支架升架，保證支架對頂板有效支護，調(diào)整支架過高的支架適當(dāng)降架防止對頂板過度破壞，實現(xiàn)了支架高度和圍巖的最佳耦合關(guān)系。

1.3.2 支架姿態(tài)檢測及控制

液壓支架的姿態(tài)檢測及控制是反映其液壓支架智能耦合關(guān)系的重要參數(shù)，頂梁、掩護梁、連桿和底座的二維角度地實時檢測可以得出支架頂梁、掩護梁、連桿、底座的仰俯和傾斜角度得出各主要結(jié)構(gòu)件間的扭曲度，實時掌握工作面每架液壓支架的整體傾斜和仰俯角度，通過對整個工作面支架姿態(tài)的檢測，可以根據(jù)數(shù)據(jù)的累計統(tǒng)計和實時檢測得出當(dāng)前姿態(tài)的變化情況，通過調(diào)整液壓支架立柱和平衡千斤頂對液壓支架的姿態(tài)進行調(diào)整[13]，實現(xiàn)頂梁和頂板大面積的支護、防止結(jié)構(gòu)件損壞、預(yù)防倒架、咬架，通過自動調(diào)整使液壓支架始終處于良好姿態(tài)，實現(xiàn)了支架姿態(tài)和圍巖的最佳耦合關(guān)系。

1.3.3 立柱壓力檢測及自動增壓

液壓支架立柱壓力檢測及自動增壓也是反映液壓支架智能耦合系統(tǒng)的又一重要參數(shù)，通過安裝在兩個立柱上的壓力傳感器可以實時掌握立柱壓力情況，當(dāng)立柱壓力低于設(shè)定值時系統(tǒng)開始進行自動補液，達到設(shè)定值時完成自動補液，個別支架自動補液不能完成時自動報警[14]。通過立柱壓力檢測及自動補液使液壓支架始終處于合理的工作阻力狀態(tài)，實現(xiàn)了支架工作阻力和圍巖的最佳耦合關(guān)系。

1.3.4 合力作用點位置檢測及調(diào)整

根據(jù)液壓支架受力狀態(tài)分析得知支架合力作用點的范圍，通過安裝在液壓支架的頂梁、掩護梁、連桿、底座的姿態(tài)傳感器，安裝在立柱和平衡千斤頂?shù)膲毫鞲衅骺梢詫崟r監(jiān)測出合力作用點位置，當(dāng)合力作用點超出最佳工作范圍時，系統(tǒng)通過調(diào)整立柱和平衡千斤頂調(diào)整液壓支架狀態(tài)，使合力作用點處于合理的作用范圍內(nèi)，當(dāng)耦合控制系統(tǒng)自動調(diào)整不能使合力作用點達到良好的工作范圍時系統(tǒng)自動報警。通過對合力作用點的檢測及調(diào)整使液壓支架合力作用點始終處于合理工作范圍，實現(xiàn)了液壓支架合力作用點和圍巖的最佳耦合關(guān)系。

1.3.5 護幫板狀態(tài)檢測及控制

通過安裝在護幫板的姿態(tài)傳感器可實時檢測護幫板的狀態(tài)，通過與采煤機定位系統(tǒng)的聯(lián)動可實現(xiàn)自動打開或者收起護幫板，實現(xiàn)了采煤機與護幫板的自動聯(lián)動。智能耦合控制系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對當(dāng)前工作面的數(shù)據(jù)進行綜合分析，通過分析實時數(shù)據(jù)可以得出當(dāng)前護幫板打出支護煤壁的強度，有效地預(yù)防了護幫板對煤壁的二次破壞。通過對護幫板狀態(tài)的檢測及控制，實現(xiàn)了護幫板對煤壁的及時支護，使護幫板與圍巖達到最佳的耦合支護關(guān)系。

2 互聯(lián)網(wǎng)+液壓支架智能耦合系統(tǒng)硬件開發(fā)

本次研發(fā)出礦用本安型微功耗無線兼有線多功能互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控主站、礦用本安型微功耗無線兼有線多功能互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控終端、礦用本安型微功耗無線兼有線自供電姿態(tài)傳感器及礦用本安型微功耗無線兼有線自供電壓力傳感器，通過對電液控制器和其他設(shè)備的改造集成完成了液壓支架智能耦合系統(tǒng)的研發(fā)。

2.1 監(jiān)控主站和監(jiān)控終端硬件開發(fā)

礦用本安型微功耗無線兼有線互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控主站和礦用本安型無線兼有線通信多功能互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控終端在硬件上基本一致，只是軟件功能有所區(qū)別，以多功能互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控終端為例，多功能監(jiān)控終端無線通信部分具有兩級網(wǎng)絡(luò)，一級網(wǎng)絡(luò)：終端與主站之間，終端與終端之間，自組網(wǎng)、大功率、遠距離的一級網(wǎng)絡(luò)通訊方式；二級網(wǎng)絡(luò)：終端與節(jié)點(傳感器)之間，以無線(或者總線方式)低功耗、小功率、近距離的二級網(wǎng)絡(luò)通訊方式。監(jiān)控終端具有開關(guān)量模擬量輸入輸出接口和按鍵設(shè)置功能。采用了工業(yè)級127mm總線型液晶屏顯示裝置，通過數(shù)字、圖形和曲線等方式顯示了監(jiān)控終端的相關(guān)數(shù)據(jù)和功能，具有多畫面展示和切換的功能。實現(xiàn)USB通信(可讀寫U盤)、以太網(wǎng)通信、RS485通信、RS232通信、CAN總線通信和光纖通信。采用了STM32微功耗處理單元，完成了對所有數(shù)據(jù)的采集、處理、發(fā)送、存儲和其他功能的實現(xiàn)。通過智能電源切換、轉(zhuǎn)換和管理單元完成了電池供電、外部供電、外部供電電壓轉(zhuǎn)換和電池自動充電的功能[15]。

2.2 姿態(tài)傳感器硬件開發(fā)

姿態(tài)傳感器主要由MCU核心處理模塊、雙軸角度測量模塊、AD采集處理模塊、無線射頻收發(fā)模塊、溫度采集模塊、RS485通信模塊、內(nèi)部電池模塊、外部供電模塊和智能電源切換、管理模塊幾部分組成。通過雙軸角度測量模塊測量出當(dāng)前設(shè)備的前后仰俯和左右傾斜角度，通過AD采集模塊對雙軸角度數(shù)據(jù)進行模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，然后傳送給MCU核心處理單元，通過高精度溫度傳感器對當(dāng)前設(shè)備的姿態(tài)數(shù)據(jù)進行復(fù)雜的運算校準(zhǔn)，通過RS485通信模塊將數(shù)據(jù)以總線的形式上傳，也可通過無線射頻收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)以無線的方式上傳，姿態(tài)傳感器既可以采用內(nèi)部電池供電也可以采用外部電源供電，通過智能電源切換和管理模塊可以實現(xiàn)內(nèi)部和外部供電的智能切換及對電池的充電。

2.3 壓力傳感器硬件開發(fā)

壓力傳感器主要由MCU核心處理模塊、壓力測量模塊、AD采集處理模塊、溫度補償模塊、無線射頻收發(fā)模塊、RS485通信模塊、液晶顯示模塊、電池供電模塊、外部電源和智能電源管理模塊幾部分組成。通過高精度壓力測量模塊測量出當(dāng)前設(shè)備的壓力值，通過AD采集模塊完成對壓力模塊采集的模擬量數(shù)據(jù)到數(shù)字量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量信號傳送給MCU核心處理模塊，通過溫度補償模塊實現(xiàn)對溫度漂移的補償，通過核心處理的單元的運算得出當(dāng)前的實時壓力值，通過液晶顯示屏對當(dāng)前壓力值進行實時高精度顯示，同時顯示最大壓力值和電池電量值，通過無線射頻收發(fā)模塊可以將壓力數(shù)據(jù)和電池電量數(shù)據(jù)發(fā)送給采集終端或上位機，壓力數(shù)據(jù)和電池電量數(shù)據(jù)也可以通過RS485通信模塊以總線的方式將數(shù)據(jù)上傳。壓力傳感器的常用供電方式為自帶電池供電，壓力傳感器同時具有外部電源供電接口，當(dāng)有外部電源接入傳感器時，傳感器自動切換到外部供電的工作方式，并判斷電池電量情況，如果電池電量不足可以對電池自動進行充電[16]。

3 液壓支架智能耦合系統(tǒng)軟件開發(fā)

智能耦合控制系統(tǒng)多功能一體化軟件以O(shè)racle為數(shù)據(jù)庫，VS軟件為上位開發(fā)軟件，由數(shù)據(jù)分析程序讀寫數(shù)據(jù)庫中的有效數(shù)據(jù)，通過客戶端登錄實現(xiàn)工作面液壓支架智能耦合系統(tǒng)的綜合監(jiān)控，上位機同時具有數(shù)據(jù)的查詢、分析、報表輸出、遠程訪問、遠程操作等諸多功能[16]，液壓支架姿態(tài)顯示；液壓支架姿態(tài)不合理及危險狀況預(yù)警；液壓支架初撐力、循環(huán)末阻力、周期來壓等受力狀況顯示；液壓支架受力不合理和危險狀況預(yù)警；液壓支架支護狀態(tài)顯示；液壓支架支護狀態(tài)不合理及危險情況預(yù)警；液壓支架保障信息顯示；液壓支架不合理使用和隱患預(yù)警；多種顯示方式、查詢方式和報表形式[17]；監(jiān)控界面可以通過選項實現(xiàn)工作面整體信息和單架信息的顯示，可以通過數(shù)字、直方圖、曲線等不同的針對性的顯示方式進行各種數(shù)據(jù)和參數(shù)的查詢和實時顯示。

4 設(shè)計實現(xiàn)及效果分析

4.1 液壓支架智能耦合控制系統(tǒng)應(yīng)用試驗

ZFY18000/28/53D液壓支架進行了地面應(yīng)用試驗，其系統(tǒng)由3臺主機、2臺多功能監(jiān)控終端、2套電液控制系統(tǒng)、2套主閥、10臺姿態(tài)傳感器、5個壓力傳感器、1個無線監(jiān)控主站、5個機械指針式壓力表、手持式角度儀、本安電源等設(shè)備組成。試驗支架的高度由2.8m至5.3m，立柱每升高約0.5m為1個測量基準(zhǔn)點。再以立柱高度為測量基準(zhǔn)點時，在頂梁近水平為一個測量點，在頂梁略低頭為1個測量點，頂梁大幅度低頭為1個測量點，頂梁略抬頭為1個測量點，頂梁大幅度抬頭為1個測量點，頂梁在每個立柱高度基準(zhǔn)點時分別測5個測量點。除通過各無線傳感器自動獲得的數(shù)據(jù)外，在每個測量點穩(wěn)定時，分別記錄各機械指針式壓力表的數(shù)據(jù)，通過手持式角度儀分別測量頂梁、掩護梁、前后四連桿和底座的角度。通過手持式激光測距儀或者卷尺測得不同測點時立柱高度變化、支架頂梁最前端距離支架所在地面的高度、支架頂梁最前端與支架底座的距離。不同工況條件下液壓支架系統(tǒng)自動耦合的過程實驗，所有記錄數(shù)據(jù)(傳感器自動獲取的數(shù)據(jù)和人工手動記錄的數(shù)據(jù))均有時間為標(biāo)志位，支架每個測點的靜態(tài)到自動調(diào)整的整個過程不低于5min。最終試驗結(jié)果證明液壓支架智能耦合控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對液壓支架的自動耦合控制。

4.2 某礦放頂煤液壓支架智能耦合控制系統(tǒng)試驗

本次研發(fā)的產(chǎn)品在某煤礦6305工作面進行了井下工業(yè)性試驗，在共33架中間架上全部安裝了液壓支架智能圍巖耦合控制裝置。根據(jù)數(shù)月的試驗，結(jié)果顯示：系統(tǒng)相對誤差為-1.25%，最大偏差-3.2%，最小偏差-0.2%，平均偏差-1.5%，實現(xiàn)了液壓支架與圍巖關(guān)系的檢測和調(diào)整，使液壓支架和圍巖支架達到了最佳的耦合關(guān)系。工業(yè)性試驗過程中液壓支架的姿態(tài)、壓力、采高、合力作用點等其他相關(guān)參數(shù)和數(shù)據(jù)都可以通過上位機軟件中的對比分析功能，對智能耦合控制調(diào)整后的效果進行直觀的數(shù)據(jù)曲線等方式來顯示，為礦井日后的生產(chǎn)過程提供重要的操作和作業(yè)規(guī)范依據(jù)。

5 結(jié)束語

由于綜采工作面的生產(chǎn)條件復(fù)雜多變，液壓支架與圍巖耦合作用規(guī)律也是變化的，需要長期深入研究，為液壓支架智能耦合控制提供更完善的理論依據(jù)。液壓支架智能耦合控制是綜采智能化的最重要組成部分，其系統(tǒng)布置的傳感器較多，采集和處理的數(shù)據(jù)量大，下一步需要對存儲到數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進行深入地二次開發(fā)和挖掘[18]，同時，需要對工作面來壓預(yù)測和工作面液壓支架支護質(zhì)量監(jiān)測預(yù)警進行更深入研究，逐步完善互聯(lián)網(wǎng)+液壓支架智能耦合控制系統(tǒng)。

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[責(zé)任編輯：鄒正立]

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

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)課題；深部圍巖自適應(yīng)支護原理及系統(tǒng)創(chuàng)成理論(2014CB046302)

侯 剛(1982-)，男，遼寧丹東人，助理研究員，碩士，主要從事礦用監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計和研發(fā)等方面的工作。

侯 剛.互聯(lián)網(wǎng)+液壓支架智能耦合控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].煤礦開采，2017，22(1)：105-108.

TD355.4

A

1006-6225(2017)01-0105-04