梁里鵬

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦， 山西 呂梁 033602）

引言

液壓支架是煤礦井下用于巷道支護的機械設(shè)備，集機、電、液于一體，其工作的穩(wěn)定性和可靠性直接決定了煤礦井下綜采作業(yè)的效率和安全性。由于井下地質(zhì)條件較為復雜，液壓支架在支護過程中需要根據(jù)采煤機綜采作業(yè)的進行不斷調(diào)整支護狀態(tài)，以避免出現(xiàn)支護失穩(wěn)現(xiàn)象，從而保證采煤機綜采作業(yè)的順利進行及巷道的穩(wěn)定性。目前多數(shù)支架由于缺乏集中的控制系統(tǒng)，在井下進行調(diào)整時均需要人工控制，這樣不僅效率低而且調(diào)整的精度差，無法滿足井下采煤機高效綜采作業(yè)的需求。

提升井下綜采作業(yè)效率的關(guān)鍵在于實現(xiàn)綜采工作面液壓支架的跟機自動運行控制，整個過程中涉及支架的升柱、降柱、推溜、拉架等，對支架的調(diào)整反應(yīng)靈敏性及精度要求較高。本文提出了一種新的基于CAN 數(shù)據(jù)總線電液控制系統(tǒng)，對該控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)組成、控制原理及應(yīng)用情況進行了分析。

1 電液控制系統(tǒng)

為了滿足液壓支架的跟機自動運行控制及其他條件下的自動化調(diào)整需求，本文提出的液壓支架電液控制系統(tǒng)采用了三級控制體系，其整體結(jié)構(gòu)[1]如圖1 所示。

由圖1 可知，該液壓支架電液控制系統(tǒng)主要包括地面上位機、井下下位機及感知層三級控制部分。上位機系統(tǒng)位于地面控制中心，主要包括視頻監(jiān)控、遠程操作臺、數(shù)據(jù)庫、人機界面等模塊，用于顯示井下液壓支架的狀態(tài)參數(shù)及采煤機的綜采位置信息，還能夠通過遠程操作臺對井下液壓支架的支護狀態(tài)進行調(diào)整，從而提高緊急情況下對液壓支架調(diào)整的可靠性。

圖1 液壓支架電液控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

下位機主要指設(shè)置在井下順槽內(nèi)的一個監(jiān)控主機，主要用于信息存儲、數(shù)據(jù)分析和監(jiān)測，能夠匯總各個液壓支架控制器的數(shù)據(jù)信息，對各個支架的支護狀態(tài)進行分析，同時能夠?qū)⑸衔粰C傳輸過來的控制信號轉(zhuǎn)換為支架的調(diào)整信號，從而控制液壓支架的狀態(tài)。

感知層主要是指設(shè)置在液壓支架上的各類傳感器信息，包括紅外線定位傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等，主要用于對液壓支架的支護狀態(tài)、支架和采煤機的位置關(guān)系等進行判斷，提高對支架運行狀態(tài)監(jiān)測的準確性。

該系統(tǒng)內(nèi)各個單元之間的數(shù)據(jù)傳輸主要通過CAN 數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)來完成，該結(jié)構(gòu)具有數(shù)據(jù)傳輸速度快、抗干擾性強的特點，能夠確保井下惡劣環(huán)境中數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂煽啃浴?/p>

2 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

該液壓支架電液控制系統(tǒng)需要滿足對井下液壓支架組的集中監(jiān)測和控制需求，在同一時間段內(nèi)所涉及的監(jiān)測信息量巨大，系統(tǒng)需要對所有監(jiān)測信息進行快速確認和分析，并及時對各液壓支架的運行狀態(tài)進行判斷和調(diào)整，因此對數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的要求極高，不僅需要滿足短時間內(nèi)大量數(shù)據(jù)通信的需求，還需要滿足抗干擾和數(shù)據(jù)傳輸效率的需求。

因此，為了滿足數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)兼容性及穩(wěn)定性的需求，在系統(tǒng)中設(shè)置了雙通信回路，以CAN 總線為核心滿足主機和支架控制器間的數(shù)據(jù)通信需求，該數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)[2]如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖2 可知，在該數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，各個支架控制器之間采用了RS485 通信模式，能夠提高支架控制器間的數(shù)據(jù)通信效率和響應(yīng)速度；在架間通信線路中包括光耦隔離、防高壓侵入保護線路、斯密特觸發(fā)反相器等，能夠?qū)u變的數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為清晰、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)信息。

支架控制器、巷道主機、地面控制中心之間的數(shù)據(jù)則需要通過CAN 數(shù)據(jù)總線進行通信，所使用的數(shù)據(jù)總線具有雙屏蔽功能[3]，可滿足井下復雜環(huán)境中的抗干擾需求，同時在通信電纜中增加了集成隔離轉(zhuǎn)換器，可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)通信的隔離保護，提高數(shù)據(jù)通信的可靠性。

3 CAN 總線控制系統(tǒng)邏輯

為了滿足液壓支架在不同情況下的智能控制需求，依據(jù)各液壓支架的動作執(zhí)行順序，提出了“支架控制器就地控制為主，遠程干預控制為輔”的控制邏輯。支架控制器的就地控制主要是依靠井下順槽控制中心的人機交互界面進行，向?qū)?yīng)的支架發(fā)出調(diào)節(jié)控制指令，從而實現(xiàn)液壓支架的單機、支架組的聯(lián)動運行控制。

遠程干預控制[4]主要是指地面控制中心的控制人員根據(jù)井下的實際情況，發(fā)出支架調(diào)節(jié)控制指令，實現(xiàn)對支架支護狀態(tài)的實時調(diào)整，同時支架控制器將液壓支架工作時的壓力、采煤機位置等數(shù)據(jù)信息實時進行匯總分析后上傳到地面控制中心，從而滿足對液壓支架組運行狀態(tài)的遠程監(jiān)控和調(diào)整的需求。

根據(jù)液壓支架的實際控制需求，支架控制器處于該控制系統(tǒng)的核心地位，需要滿足數(shù)據(jù)信息匯總、分析、調(diào)整、轉(zhuǎn)換等需求，因此對支架控制器結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，提高了支架控制器的模塊化程度，設(shè)置了多個標準數(shù)據(jù)接口，能夠根據(jù)支架控制的實際需求進行快速調(diào)整，各個接口均采用標準通用數(shù)據(jù)通信協(xié)議，能夠滿足數(shù)據(jù)的快速傳輸需求。該支架控制器的整體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 支架控制器硬件結(jié)構(gòu)

由圖3 可知，支架控制器的各個控制單元均為模塊化布置，一個模塊單元的失效不會影響整個支架控制器的使用，因此能夠進行快速更換和調(diào)整，極大地提升了支架控制器在井下復雜環(huán)境條件下的使用可靠性和經(jīng)濟性。

4 應(yīng)用效果分析

為了對該電液控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用效果進行分析，在井下對優(yōu)化前后的支架運行情況進行監(jiān)控。采用新的智能控制系統(tǒng)后，能夠?qū)崿F(xiàn)對液壓支架支護姿態(tài)、支護壓力等的智能監(jiān)控、報警；當井下由于礦壓波動、綜采擾動、液壓支架泄漏等導致支架支護壓力下降時，系統(tǒng)能夠自動進行補壓，從而保證了在整個支護過程中的支護力，避免了支護失穩(wěn)；支架控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對液壓支架與采煤機相對位置的精確判斷，從而控制支架井下收放護幫板、自動移架等。將單個支架的姿態(tài)調(diào)整時間由最初的18.7 min 降低到了目前的10.34 min，將支架調(diào)整時間降低44.7%；將液壓支架調(diào)整時的精度由±20 mm 提升到了±3.08 mm，顯著提升了支架的自動調(diào)節(jié)精確性，為實現(xiàn)井下綜采工作面的智能綜采作業(yè)奠定了基礎(chǔ)。井下液壓支架支護結(jié)構(gòu)如下頁圖4 所示。

圖4 液壓支架支護結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)論

1）液壓支架電液控制系統(tǒng)主要包括地面上位機、井下下位機及感知層三級控制部分，該系統(tǒng)通過CAN 數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速、高可靠性傳輸。

2）各個支架控制器之間采用了RS485 通信模式，支架控制器、巷道主機、地面控制中心之間的數(shù)據(jù)通信則需要通過CAN 數(shù)據(jù)總線通信，能保證整個控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎途_性需求。

3）新的控制系統(tǒng)能夠?qū)⒅Ъ苷{(diào)整時間降低44.7%，將調(diào)整精度提升84.6%，對提升井下支架的智能控制效果具有十分重要的意義，為實現(xiàn)井下綜采工作面的智能綜采作業(yè)奠定了基礎(chǔ)。