張雪平

（山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

液壓支架是綜采工作面最重要的設(shè)備之一，布置在整個(gè)綜采工作面上，與采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)配合進(jìn)行煤炭資源的開采。液壓支架能實(shí)現(xiàn)對(duì)采區(qū)頂板的支護(hù)、切頂、自移和推溜等動(dòng)作，防止頂板脫落，為綜采作業(yè)提供工作空間，降低工人勞動(dòng)程度，保障人員和設(shè)備安全。液壓支架的動(dòng)作是依靠電液控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，其自動(dòng)化程度和可靠性對(duì)整個(gè)綜采作業(yè)面的生產(chǎn)效率有很大影響[1]。

1 總體方案

液壓支架的電液控制系統(tǒng)是由地面控制室、支架控制器主站、支架控制器從站、液壓支架、壓力傳感器、位移傳感器組成的，系統(tǒng)通過CAN總線進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)通訊，實(shí)現(xiàn)液壓支架的整體控制，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于CAN總線的液壓支架電液控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

支架控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心元件，分為主站和從站，由微處理器、信息傳輸模塊、操作鍵盤組成。每個(gè)從站控制一套液壓支架，按照控制信號(hào)對(duì)液壓支架的液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制，完成液壓支架的各種動(dòng)作，同時(shí)接收安裝在液壓支架上的傳感器信號(hào)，并將液壓支架狀態(tài)信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)街髡?，主站通過以太網(wǎng)與地面控制室進(jìn)行通訊，將液壓支架的實(shí)時(shí)信息直觀顯示在顯示屏上，方便技術(shù)人員進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)液壓支架數(shù)量超過一定數(shù)量時(shí)，需要增加CAN中繼器，保證總線的通訊質(zhì)量。

2 網(wǎng)絡(luò)通訊總線

組建一個(gè)先進(jìn)的總線通訊網(wǎng)絡(luò)是保證整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提條件，在井下對(duì)總線通訊的要求主要有以下四個(gè)方面。

2.1 通訊距離

井下的通訊一般采用兩級(jí)總線方式進(jìn)行通訊，在規(guī)模較小時(shí)可以一級(jí)現(xiàn)場(chǎng)總線，采用光纖或同軸電纜進(jìn)行多媒體信息的傳輸，要求通訊距離一般不得小于10 km。通訊距離的長(zhǎng)短與通訊速率有關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)的通訊速率有5 kbps、10 kbps、20 kbps，一般情況下，通訊速率為5 kbps時(shí)，通訊距離可達(dá)到10 km，特殊情況下可以選擇通訊速率2.5 kbps以延長(zhǎng)通訊距離。根據(jù)實(shí)際情況，若要求更長(zhǎng)距離的通訊，可以安裝一個(gè)CAN網(wǎng)橋，能延長(zhǎng)一倍的通訊距離，并增加一倍的CAN-bus節(jié)點(diǎn)數(shù)目。通訊介質(zhì)也會(huì)影響通訊距離，選用礦用阻燃電纜作為傳輸介質(zhì)，可以在通訊速率為5 kbps時(shí)達(dá)到7 km左右的通訊距離。

2.2 響應(yīng)時(shí)間

現(xiàn)場(chǎng)總線的響應(yīng)時(shí)間主要與傳輸協(xié)議有關(guān)，協(xié)議層次越多，響應(yīng)時(shí)間越慢?，F(xiàn)場(chǎng)總線一般有三類：第一類是Profibus、WorldFIP等，采用 IEC61158-3，31.25kBd標(biāo)準(zhǔn)，響應(yīng)速度慢，用于制造業(yè)過程監(jiān)控；第二類是DeviceNet，SDS等，兼顧了模擬量變送器和執(zhí)行器的數(shù)據(jù)傳送，在低通訊速率下響應(yīng)速度也很快；第三類是P-Net、LonWorks等，用于一般設(shè)備自動(dòng)化，響應(yīng)速度低于第二類高于第一類。根據(jù)液壓支架電控系統(tǒng)的要求，選擇第二類或第三類總線通訊方式均能滿足要求。

2.3 本安特性

由于礦井下存在易燃易爆性氣體及粉塵，在爆炸危險(xiǎn)性等級(jí)中屬于I型的0區(qū)和1區(qū)，因此井下設(shè)備的電氣系統(tǒng)都必須采取相應(yīng)的防爆措施。目前國(guó)際上采用最廣的防爆措施主要有：隔爆（Exd）、本安（Exi）和增安（Exe）等，其中本安（本質(zhì)安全）技術(shù)成本低、體積小、安全性高，是低壓電器中最常用的防爆技術(shù)。煤礦行業(yè)中的井下設(shè)備還需要滿足《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備》標(biāo)準(zhǔn)（煤安標(biāo)準(zhǔn)）[2]。在選用CAN總線傳輸設(shè)備、壓力和位移傳感器、供電電源等電氣元件時(shí)要注意滿足防爆及煤安要求。

2.4 抗干擾能力

井下環(huán)境較差，電磁干擾較強(qiáng)，系統(tǒng)所選用的設(shè)備應(yīng)具備一定的抗干擾能力，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

3 系統(tǒng)主要功能分析

液壓支架控制系統(tǒng)的功能是根據(jù)液壓支架的動(dòng)作確定的，系統(tǒng)通過支架控制器控制液壓支架完成指定動(dòng)作實(shí)現(xiàn)以下功能[3]。

3.1 本架推溜功能

操作人員按動(dòng)本架推溜按鈕，本支架開始進(jìn)行壓力檢測(cè)，確保支架穩(wěn)定地支撐起煤層，若壓力超過設(shè)定值，則開始進(jìn)行推溜動(dòng)作，行程達(dá)到設(shè)定參數(shù)時(shí)推溜動(dòng)作終止，也可在5 min內(nèi)手動(dòng)再按動(dòng)一次本架推溜按鈕手動(dòng)停止推溜動(dòng)作；若壓力小于設(shè)定值，則先進(jìn)行升架動(dòng)作，保證支架支撐力符合要求。該動(dòng)作的程序流程如圖2所示。

圖2 本架推溜程序流程

3.2 相鄰單架單動(dòng)功能

在液壓支架的動(dòng)作中，從安全角度出發(fā)，除本架的推溜動(dòng)作外，其他動(dòng)作都需要由相鄰液壓支架的支架控制器發(fā)出控制信號(hào)，本架的支架控制器接收主站控制信號(hào)控制本架動(dòng)作，每個(gè)支架控制器可以對(duì)左鄰架、左鄰二架、右鄰架、右鄰二架進(jìn)行控制。具體流程如圖3、圖4所示。

相鄰單架單動(dòng)采用點(diǎn)動(dòng)方式，操作人員選擇好要控制的液壓支架，按動(dòng)操作支架控制器上的按鈕，本機(jī)自動(dòng)修改為主控模式，并將動(dòng)作控制信息寫入CAN發(fā)送緩沖區(qū)，松開按鈕后，本機(jī)將停止信息寫入CAN發(fā)送緩沖區(qū)。被控支架的支架控制器接收到主站動(dòng)作命令后，自動(dòng)將本機(jī)修改為從控模式，進(jìn)行相應(yīng)的單動(dòng)動(dòng)作，收到停止命令后，停止動(dòng)作并將停止信息寫入CAN發(fā)送緩沖區(qū)，主站應(yīng)答后，清除CAN發(fā)送緩沖區(qū)。

圖3 操作支架控制器單動(dòng)流程

圖4 被控支架控制器單動(dòng)流程

3.3 鄰架成組聯(lián)動(dòng)控制功能

鄰架成組聯(lián)動(dòng)包括成組推拉、成組推溜、成組升降等動(dòng)作，是指以任意一個(gè)液壓支架為起始架，向左或向右若干個(gè)相鄰架被設(shè)定為一組，系統(tǒng)發(fā)出聯(lián)動(dòng)信號(hào)后，從起始架開始，液壓支架依次按照程序進(jìn)行動(dòng)作，直至最末端支架完成動(dòng)作。操作人員可以任意指定支架組，只有給定支架組的位置和個(gè)數(shù)后，才能進(jìn)行成組聯(lián)動(dòng)。系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記憶上一次成組聯(lián)動(dòng)中組的參數(shù)，不需每次操作前重新輸入，需要改變組的參數(shù)時(shí)可由操作人員重新設(shè)置。從站發(fā)送和接收成組聯(lián)動(dòng)命令流程如下頁(yè)圖5所示。

3.4 自動(dòng)跟隨支護(hù)功能

在主控制臺(tái)可以將系統(tǒng)設(shè)置為自動(dòng)模式，通過對(duì)采煤機(jī)的開采姿態(tài)和位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)根據(jù)接收到的采煤機(jī)狀態(tài)信息，可以控制液壓支架自動(dòng)跟隨采煤機(jī)進(jìn)行采區(qū)支護(hù)，完成指定動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)綜采工作面的自動(dòng)化控制，提高生產(chǎn)效率。

3.5 閉鎖及緊急停止功能

圖5 從站發(fā)送和接收成組聯(lián)動(dòng)命令流程

因維修需要或其他原因而需要某個(gè)或某幾個(gè)液壓支架靜止不動(dòng)時(shí)，可以對(duì)主站控制液壓支架進(jìn)行閉鎖，并且左右相鄰的液壓支架也會(huì)同時(shí)閉鎖，防止誤動(dòng)作。當(dāng)需要解鎖時(shí)，必須在閉鎖液壓支架的支架控制器上按下解鎖按鈕才能進(jìn)行解鎖操作，防止誤操作。

當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí)，在任意支架控制器上按下緊急停車按鈕，整個(gè)工作區(qū)的液壓支架會(huì)立即停止所有動(dòng)作，并且在系統(tǒng)復(fù)位前不能運(yùn)行自動(dòng)模式。

4 結(jié)語(yǔ)

液壓支架自動(dòng)跟隨支護(hù)是實(shí)現(xiàn)綜采工作面自動(dòng)化的重要一環(huán)?；诳偩€技術(shù)的液壓支架控制系統(tǒng)通過通訊手段控制液壓支架，不僅能完成多種動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，提高工作面的移架和支護(hù)效率，而且可以克服井下復(fù)雜環(huán)境，保證整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行。