李道民

(長治職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長治 046000)

以某礦薄煤層綜采工作面為研究背景，對(duì)液壓支架電控系統(tǒng)進(jìn)行了研究，同時(shí)分析了支架系統(tǒng)的可靠性，為該工作面安全、快速、高效生產(chǎn)提供了技術(shù)支撐。

1 工作面概況及支架情況

該礦所采煤層為山西組2號(hào)煤層，煤層厚0.84～1.36m，平均1.16m，不含夾矸，煤層結(jié)構(gòu)簡單，屬全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，工作面使用116架ZY3800/07/16D型兩柱掩護(hù)式液壓支架進(jìn)行支護(hù)(圖1)，主要技術(shù)參數(shù)如下：

支架型式：兩柱掩護(hù)式；

支架高度：700～1600mm；

支架工作阻力：3800kN(P=39.7MPa)；

立柱內(nèi)徑：φ250mm；

支護(hù)強(qiáng)度：>0.4MPa；

對(duì)底板平均比壓：≤1.5MPa；

支架中心距：1500mm；

支架控制方式：電液控制。

圖1 ZY3800/07/16D型掩護(hù)式液壓支架

2 電液控制系統(tǒng)的組成及原理

隨著綜采技術(shù)及裝備的不斷發(fā)展，支架控制系統(tǒng)使用了電磁(微電機(jī))處理、傳感技術(shù)、紅外遙感等先進(jìn)的技術(shù)，使支架在移架速度、運(yùn)行姿態(tài)、支護(hù)效果等方面得到了極大的改善[6-8]，支架電液控制系統(tǒng)與采煤機(jī)煤巖體識(shí)別系統(tǒng)相互配合可實(shí)現(xiàn)工作面自動(dòng)控制。

支架電液控制系統(tǒng)由電控單元與信息傳輸系統(tǒng)組成，電控單元由電磁先導(dǎo)閥、人機(jī)交互界面、電源箱、控制器、電纜連接器、傳感器等部件組成[9-11]。電磁先導(dǎo)閥主要實(shí)現(xiàn)電液信號(hào)的轉(zhuǎn)換，可接收操作者通過人機(jī)交互界面分析后通過控制器而發(fā)來的相應(yīng)電信號(hào)，將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的液壓信號(hào)，通過閥體控制支架各構(gòu)件執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。運(yùn)行過程中各傳感器分別監(jiān)測支架的相應(yīng)運(yùn)行參數(shù)，并將其報(bào)送至控制器，控制器通過分析判斷所反饋的信息來決定支架的相關(guān)動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。在支架電液控制系統(tǒng)中，一個(gè)通信子網(wǎng)由若干個(gè)控制器構(gòu)成，整個(gè)工作面支架分成不同的信息子網(wǎng)，形成工作面控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)，通過巷道監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行集中控制與管理，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸至地面主機(jī)。圖2為工作面電液控制系統(tǒng)圖。

圖2 工作面電液控制系統(tǒng)

3 電液控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的新型集成電液控制系統(tǒng)具有視頻傳輸、圖像傳輸、音頻傳輸及高速計(jì)算功能，同時(shí)具備集成紅外傳感器、集成高度傳感器、集成傾角傳感器等新型傳感器的兼容能力。

3.1 控制器參數(shù)調(diào)整設(shè)計(jì)

支架控制器是電液控制子系統(tǒng)中的核心部件，通過新型控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)實(shí)際開采工況與支架運(yùn)行的自動(dòng)吻合[12-13]。為了保證系統(tǒng)適應(yīng)不同復(fù)雜條件下的控制功能，將決定或影響控制過程的特征量設(shè)定為可變量，在支架實(shí)際工作過程中根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)條件修正參數(shù)值，保證系統(tǒng)達(dá)到最佳控制效果。

圖3為特征量調(diào)整邏輯圖。

圖3 特征量調(diào)整邏輯圖

3.2 支護(hù)高度自動(dòng)測量設(shè)計(jì)

由于薄煤層綜采工作面支架支護(hù)范圍較小，開采過程中為保證支架頂梁與采煤機(jī)滾筒互不干擾，在電控系統(tǒng)中引入了支架高度自動(dòng)測量系統(tǒng)，系統(tǒng)中集成高度傳感器與支架控制器相互配合，一端安裝在支架頂梁，另一端接于支架控制器，可實(shí)時(shí)測量煤層厚度、立柱支護(hù)高度、掩護(hù)梁與頂梁鉸接位置高度等參數(shù)，高度誤差為30mm。圖4為高度傳感器安裝示意圖。

圖4 高度傳感器安裝示意

3.3 聲光報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為指示某一時(shí)期內(nèi)薄煤層綜采面的危險(xiǎn)區(qū)域，在電液控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了聲光報(bào)警系統(tǒng)，將系統(tǒng)中的外置聲光報(bào)警器安裝于支架頂梁或其他醒目位置，與支架控制器相互配合，正常情況時(shí)報(bào)警器顏色為綠色，當(dāng)支架受力過高或運(yùn)行姿態(tài)過差而控制器無法調(diào)整時(shí)，聲光報(bào)警器會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)顏色由綠色變?yōu)榧t色，通過顏色分區(qū)警示危險(xiǎn)區(qū)域，劃分安全區(qū)域。

3.4 運(yùn)行姿態(tài)自動(dòng)測定與分析設(shè)計(jì)

為實(shí)時(shí)監(jiān)控支架的運(yùn)行姿態(tài)，在電控系統(tǒng)中引入了角度測量及運(yùn)行姿態(tài)報(bào)告系統(tǒng)，角度測量系統(tǒng)采用內(nèi)置集成傾角傳感器，可自動(dòng)檢測立柱傾斜角及頂梁底座偏轉(zhuǎn)角等參數(shù)，并將數(shù)據(jù)報(bào)送給支架控制器，控制器會(huì)根據(jù)所反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，當(dāng)支架頂梁及底座旋轉(zhuǎn)角度超過設(shè)定值時(shí)，控制器會(huì)通過調(diào)整四連桿機(jī)構(gòu)及立柱壓力等對(duì)支架進(jìn)行調(diào)整，確保支架具有良好的運(yùn)行姿態(tài)。

此外，為方便直觀了解支架運(yùn)行姿態(tài)，在控制系統(tǒng)中安裝了狀態(tài)分析報(bào)告服務(wù)器，根據(jù)薄煤層液壓支架運(yùn)行姿態(tài)的某一關(guān)鍵指標(biāo)(如立柱壓力、安全閥開啟頻率、頂梁及底座偏轉(zhuǎn)角、故障頻率等)，服務(wù)器可以圖片的形式自動(dòng)生成任何時(shí)間段的運(yùn)行報(bào)告，數(shù)據(jù)傳輸至地面控制中心后，任何終端都可根據(jù)權(quán)限查看相應(yīng)的狀態(tài)分析報(bào)告。

3.5 安全防護(hù)設(shè)計(jì)

為保證設(shè)備維修或調(diào)試期間操作人員安全，在控制器中設(shè)置了自動(dòng)閉鎖程序。操作人員通過人機(jī)界面發(fā)出指令后支架進(jìn)入閉鎖狀態(tài)，使控制器硬件驅(qū)動(dòng)電源被切斷，支架不能執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作，同一子系統(tǒng)中的相鄰支架也通過軟件作用執(zhí)行閉鎖指令，本子系統(tǒng)支架執(zhí)行閉鎖指令時(shí)不影響其他子系統(tǒng)支架正常工作。此外，在每一個(gè)控制器中設(shè)定了緊急停止程序，當(dāng)發(fā)生安全事故等緊急情況時(shí)操作人員可通過人機(jī)界面發(fā)出緊急停止指令，整個(gè)工作面支架立即停止動(dòng)作，在指令解除前無法動(dòng)作。

3.6 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的電控系統(tǒng)采用本地控制與遠(yuǎn)程監(jiān)控相結(jié)合的雙重控制模式：本地控制時(shí)，操作者通過人機(jī)交互界面發(fā)出相應(yīng)指令給支架控制器，控制器通過CAN總線實(shí)現(xiàn)如成組控制、本架控制、鄰架控制、采煤機(jī)監(jiān)控跟機(jī)等操作；遠(yuǎn)程控制采用以太網(wǎng)進(jìn)行井上下數(shù)據(jù)傳輸，既可以將井下數(shù)據(jù)傳至地面集控中心，又可以將地面控制中心的指令數(shù)據(jù)傳入工作面進(jìn)行地面實(shí)時(shí)控制，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)和人員識(shí)別系統(tǒng)等控制系統(tǒng)共用一根標(biāo)準(zhǔn)4芯高速電纜，使整個(gè)工作面實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)合一的數(shù)據(jù)傳輸功能。

4 電液控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

由于薄煤層開采時(shí)的空間限制，綜采設(shè)備在實(shí)際生產(chǎn)過程中所需要的操作人員較少，在很大程度上工作面安全高效生產(chǎn)依靠設(shè)備自身的穩(wěn)定性與可靠性，基于此，本文設(shè)置了以下程序來保證控制系統(tǒng)的可靠性：

(1)設(shè)計(jì)了以遠(yuǎn)程控制的以太網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)和本地控制的CAN總線傳輸網(wǎng)絡(luò)，其中以太網(wǎng)CPT/IP傳輸速度為100Mbpa，當(dāng)以太網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，支架控制器可通過CAN總線進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，保證數(shù)據(jù)及時(shí)準(zhǔn)確傳至地面控制系統(tǒng)。

(2)為保證工作面安全生產(chǎn)，在控制系統(tǒng)中設(shè)置了優(yōu)先指令程序，以支架緊急閉鎖指令為程序最優(yōu)先級(jí)，鄰架控制和成組控制為次優(yōu)先級(jí)，最后為遠(yuǎn)程控制。

(3)支架控制子系統(tǒng)中設(shè)置了相應(yīng)濾波電路，有效抵抗電磁干擾，能夠獨(dú)立實(shí)現(xiàn)各控制功能。

5 結(jié)束語

在介紹薄煤層工作面支架電液控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理的基礎(chǔ)上分析了電控系統(tǒng)中支架控制器參數(shù)調(diào)整、支護(hù)高度自動(dòng)測量、聲光報(bào)警系統(tǒng)、運(yùn)行姿態(tài)測定與分析系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并給出了提高系統(tǒng)可靠性所采取的措施。該套電液控制系統(tǒng)自運(yùn)行以來使用效果良好，基本可以滿足薄煤層綜采工作面快速安全高效的開采要求。