梁云峰，劉永偉，黃 凱，毛清華

1中煤西北能源有限公司 內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017200

2西安東達(dá)馬科智能控制系統(tǒng)有限公司 陜西西安 710075

3西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 陜西西安 710054

4陜西省礦山機(jī)電裝備智能監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西西安 710054

在 我國(guó)礦井地質(zhì)條件日漸復(fù)雜、安全生產(chǎn)要求愈加嚴(yán)格、生產(chǎn)環(huán)境要求逐漸提高的形勢(shì)下，我國(guó)煤炭開采產(chǎn)業(yè)對(duì)于智能技術(shù)和設(shè)備的需求更加迫切[1-3]。液壓支架作為確保煤礦安全順利生產(chǎn)的重要技術(shù)核心裝置，給予煤礦綜采巷道頂面一定的支撐和安全保護(hù)，避免巷道內(nèi)部受到開采落石的嚴(yán)重沖擊[4]，因此，研究液壓支架遠(yuǎn)程控制技術(shù)有助于推動(dòng)煤礦安全高效生產(chǎn)，為實(shí)現(xiàn)煤礦智能化提供技術(shù)保障。

我國(guó)研究人員對(duì)于液壓支架控制系統(tǒng)進(jìn)行了探索與研究。郅富標(biāo)[5]構(gòu)建了一種液壓支架控制系統(tǒng)，能夠控制支架進(jìn)行自動(dòng)跟機(jī)推溜移架，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。牛劍峰[6]設(shè)計(jì)了一套新型液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了跟機(jī)移架、推移刮板輸送機(jī)和噴霧等自動(dòng)化功能。高晉等人[7]構(gòu)建了基于 CAN 總線通信的液壓支架控制系統(tǒng)，通過 TCP/IP 數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)液壓支架狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。侯素紅等人[8]設(shè)計(jì)了一種新型液壓支架電液控制系統(tǒng)，采用 DSP 和 CAN 總線，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架多種運(yùn)動(dòng)作業(yè)的控制。張建國(guó)等人[9]設(shè)計(jì)了液壓支架集成控制平臺(tái)，可使液壓支架按照設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)工作，同時(shí)具備液壓支架受力檢測(cè)和監(jiān)控功能。

上述控制系統(tǒng)雖然可以實(shí)現(xiàn)順槽計(jì)算機(jī)集中過程監(jiān)測(cè)，但是缺乏用于統(tǒng)一管理和監(jiān)控的綜采自動(dòng)化控制系統(tǒng)軟件。為全面提升煤礦遠(yuǎn)程綜采生產(chǎn)技術(shù)裝備智能化應(yīng)用水平，實(shí)現(xiàn)煤礦的安全、高效生產(chǎn)，筆者就液壓支架遠(yuǎn)程智能化控制技術(shù)進(jìn)行深入研究，以中煤蒙大公司納林河二號(hào)煤礦 3-1 上 102 工作面為主要技術(shù)研究背景，基于“自動(dòng)化減人、智能化無人、少人則安、無人則安”的生產(chǎn)理念，對(duì)液壓支架遠(yuǎn)程控制展開研究，為綜采工作面的智能化發(fā)展提供借鑒與實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 遠(yuǎn)程控制方案

1.1 電液控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

液壓支架群組是煤礦進(jìn)行機(jī)械化開采的關(guān)鍵性生產(chǎn)設(shè)備[10]。通過對(duì)煤礦井下液壓支架主控計(jì)算機(jī)的智能化控制程序進(jìn)行研發(fā)，使其能夠智能化模擬工人操作的工藝和動(dòng)作，提升電液控制系統(tǒng)自動(dòng)化效果[11]，滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

液壓支架電液控制系統(tǒng)由就地控制器、集中控制器和液壓支架遠(yuǎn)程控制系統(tǒng) 3 級(jí)結(jié)構(gòu)組成，如圖 1 所示[12]，可以實(shí)現(xiàn)就地、遠(yuǎn)程點(diǎn)動(dòng)和自動(dòng)控制。

圖1 液壓支架電液控制系統(tǒng)Fig.1 Electro-hydraulic control system of hydraulic support

就地控制器是液壓支架控制系統(tǒng)的第 1 級(jí)系統(tǒng)，安裝于綜采工作面的每臺(tái)液壓支架上，1 臺(tái)液壓支架分別對(duì)應(yīng) 1 臺(tái)就地控制器，所有的控制命令最終由就地控制器執(zhí)行，可直接驅(qū)動(dòng)電磁先導(dǎo)閥，進(jìn)而能夠使支架完成推溜、移架、升降和提底等多種動(dòng)作。

集中控制器是液壓支架液壓控制系統(tǒng)的第 2 級(jí)系統(tǒng)，其安裝位置依據(jù)支架的安裝位置而定，一端與遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)相連，另一端與就地控制器相連，是電液控制系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)，是液壓支架遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)與就地控制器之間的紐帶，其功能是向就地控制器發(fā)送支架動(dòng)作命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架的動(dòng)作控制；向就地控制器發(fā)送運(yùn)行參數(shù)巡檢命令，接收和保存工作面所有液壓支架的運(yùn)行參數(shù)。

在煤礦開采作業(yè)中引入液壓支架遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，在監(jiān)控主機(jī)的監(jiān)控管理作用下，對(duì)煤礦井下作業(yè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行有效控制。液壓支架遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)是液壓控制系統(tǒng)的第 3 級(jí)系統(tǒng)，同集中控制器相連，安裝于綜采工作面進(jìn)風(fēng)巷道或回風(fēng)巷道的順槽控制中心，其主要功能為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)綜采工作面所有液壓支架立柱壓力、推溜行程、支架急停閉鎖狀態(tài)等工作狀態(tài)；可對(duì)綜采工作面液壓支架進(jìn)行單動(dòng)作和成組動(dòng)作控制，結(jié)合采煤機(jī)位置，對(duì)液壓支架實(shí)施自動(dòng)控制；實(shí)時(shí)記錄液壓支架的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，根據(jù)人工操作的工藝和動(dòng)作，對(duì)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模擬顯示，為用戶提供歷史數(shù)據(jù)查詢。

1.2 液壓支架遠(yuǎn)程控制界面開發(fā)

通過對(duì)井下支架主控計(jì)算機(jī)的智能化控制程序進(jìn)行研發(fā)，提升電液控制系統(tǒng)自動(dòng)化效果，滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。采用分層技術(shù)將支架運(yùn)行狀態(tài)、控制和數(shù)據(jù)分析集中顯示在同一界面上，如圖 2 所示。

圖2 液壓支架控制系統(tǒng)操控界面Fig.2 Control interface of hydraulic support control system

該界面可實(shí)時(shí)顯示綜采工作面所有液壓支架立柱壓力、推溜行程、支架急停閉鎖狀態(tài)等工作狀態(tài)，同時(shí)可以實(shí)時(shí)記錄狀態(tài)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了在井下工作面順槽監(jiān)控中心和調(diào)度室控制中心對(duì)液壓支架的單機(jī)控制或一鍵啟停。

需要進(jìn)行液壓支架控制時(shí)，可通過與設(shè)備的位置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信來獲取液壓支架的位置和移動(dòng)方向，發(fā)出相應(yīng)的指令 (例如牽引加減速、液壓支架推溜等)，該指令通過數(shù)據(jù)通信總線與液壓支架進(jìn)行通信，把信號(hào)發(fā)送給液壓支架，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)支架的遠(yuǎn)程控制[13]。

2 基于 EtherNet/IP 的遠(yuǎn)程通信技術(shù)

以太網(wǎng)通信因技術(shù)可靠、成熟而得到普遍應(yīng)用。EtherNet/IP 通信技術(shù)基于以太網(wǎng)通信技術(shù)，在物理層和數(shù)據(jù)鏈的線路管理層皆采用了標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)，這樣使得 EtherNet/IP 可以在所有支持以太網(wǎng)的液壓支架上無縫工作。由于 EtherNet/IP 通信技術(shù)基于標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)，通信速度和傳輸效率較高，可實(shí)現(xiàn)基于計(jì)算機(jī)軟件的單主多從通信，減少整個(gè)控制系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于維護(hù)、建設(shè)和實(shí)施，運(yùn)行成本較低等特點(diǎn)[14]。

本系統(tǒng)主要采用 EtherNet/IP 通信協(xié)議，支持基于計(jì)算機(jī)軟件的單主多從通信。數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)接入和采集，實(shí)現(xiàn)了液壓支架的通信功能，同時(shí)，EtherNet/IP 通信協(xié)議具有更好的實(shí)時(shí)性和可靠性，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程集成控制以及地面監(jiān)控[15]。通過模擬煤礦網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，液壓支架實(shí)現(xiàn)了與工業(yè)以太網(wǎng)之間的互連。基于 EtherNet/IP 的通信結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

圖3 通信架構(gòu)Fig.3 Communication architecture

通過對(duì)煤礦井下工作面的設(shè)備接口以及協(xié)議進(jìn)行升級(jí)改造，安裝統(tǒng)一的 EtherNet/IP 智能網(wǎng)關(guān)，其數(shù)據(jù)均遵循中煤蒙大公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，由 OPC-UA服務(wù)器進(jìn)行統(tǒng)一的采集和解析。此外搭建數(shù)據(jù)中心，通過 OPC-UA 協(xié)議實(shí)現(xiàn)從信息化向自動(dòng)化的路徑連接。通過 OPC-UA 服務(wù)器可完成設(shè)備數(shù)據(jù)的聚集、處理、儲(chǔ)存、分發(fā)及利用。這些數(shù)據(jù)可以直接保存到實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)也可供給 SCADA 系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)監(jiān)控，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了移動(dòng) APP，用以演示分系統(tǒng)、分界面，實(shí)現(xiàn)煤礦機(jī)電設(shè)備的監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)取用數(shù)據(jù)同源[16]。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

該綜采工作面液壓支架遠(yuǎn)程控制技術(shù)已應(yīng)用于納林河二號(hào)煤礦 3-1 上 102 工作面，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了液壓支架的遠(yuǎn)程操作、跟機(jī)自動(dòng)化、支架防干涉功能以及支架的運(yùn)行狀態(tài)顯示功能。

液壓支架的遠(yuǎn)程操控主要是在順槽集控中心和地面調(diào)度中心分別對(duì)液壓支架進(jìn)行操作。液壓支架的跟機(jī)自動(dòng)化主要是在采煤機(jī)速度為 3～ 5 m/min 的情況下，對(duì)液壓支架的跟機(jī)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，驗(yàn)證支架能否跟隨采煤機(jī)完成拉架推溜功能。在跟機(jī)參數(shù)設(shè)定情況下，全工作面支架跟機(jī)穩(wěn)定正常。如圖 4 所示，在采煤機(jī)最大速度為 12 m/min 時(shí)，系統(tǒng)通過隔架多架拉架的方式仍然能夠跟隨采煤機(jī)完成相應(yīng)動(dòng)作。

圖4 工作面跟機(jī)自動(dòng)化參數(shù)Fig.4 Automation parameters of work face following machine

支架通過推移液壓缸上的傳感器監(jiān)測(cè)支架壓力、支架高度、采煤機(jī)搖臂高度等數(shù)值，對(duì)采煤機(jī)與支架進(jìn)行防干涉識(shí)別，并可進(jìn)行彈窗和聲音報(bào)警。液壓支架配備了無線遙控器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)液壓支架的單架、成組、超前支架一鍵自移的無線遙控。

4 結(jié)語

以中煤蒙大公司納林河二號(hào)煤礦 3-1 上 102 工作面為主要研究對(duì)象，基于液壓支架的電液控制技術(shù)，針對(duì)液壓支架推移過程中需要人工調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)，提出了一種智能的液壓支架遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)方案?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)液壓支架狀態(tài)的全方位監(jiān)測(cè)以及遠(yuǎn)程控制，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)液壓支架的單架、成組跟機(jī)自動(dòng)化，明顯提高了工作面支架的移架速度及工作效率，降低了煤礦井下工作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，為煤礦高產(chǎn)高效安全開采奠定了基礎(chǔ)。