張曉娟，李鵬飛

（1.晉能控股煤業(yè)集團虎龍溝煤業(yè)有限公司，山西 朔州 038300；2.晉能控股煤業(yè)集團馬脊梁礦，山西 大同 037001）

引言

煤炭是重要的能源形式，對工業(yè)及經(jīng)濟的發(fā)展具有重要的支撐作用，煤礦產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)效率的持續(xù)提升是煤礦生產(chǎn)的重點研究對象。在煤礦的開采過程中，液壓支架是廣泛使用的支撐設(shè)備，對工作面的支護(hù)及推進(jìn)具有重要的作用，液壓支架與采煤機、刮板輸送機等進(jìn)行協(xié)同作業(yè)進(jìn)行煤炭的開采[1]。液壓支架的自動化是實現(xiàn)采煤作業(yè)的自動化及煤礦智能化開采的關(guān)鍵步驟。

液壓支架在工作過程中，需要自身獨立控制及與其他設(shè)備之間的協(xié)同控制，液壓支架的自動化控制主要針對電液系統(tǒng)進(jìn)行控制[2]。從相鄰設(shè)備的控制向自動化集中控制的方式發(fā)展，是實現(xiàn)工作面自動化控制的主要方式。

1 液壓支架自動化控制系統(tǒng)的整體設(shè)計

針對液壓支架進(jìn)行電液系統(tǒng)的控制，是實現(xiàn)液壓支架工作面自動化控制的最佳方式，考慮煤礦的智能化發(fā)展，對液壓支架的自動控制系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計如圖1 所示。液壓支架自動化控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包含四個級別[3]，分別為地面的監(jiān)測層、井下防爆計算機的監(jiān)控層、液壓支架端頭控制器的監(jiān)控層及液壓支架控制器的監(jiān)控層。

圖1 液壓支架自動化控制系統(tǒng)整體方案架構(gòu)

液壓支架的控制器與液壓系統(tǒng)的先導(dǎo)閥及液壓支架傳感器相連，直接對液壓支架的動作進(jìn)行控制并進(jìn)行實時監(jiān)測，顯示并輸出液壓支架的狀態(tài)參數(shù)。端頭控制器是液壓支架自動化控制系統(tǒng)的重要組成，是進(jìn)行系統(tǒng)信息傳輸?shù)年P(guān)鍵單元[4]。其作為井下監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的中間組成，進(jìn)行信息的傳輸及采集，并可對液壓支架控制器進(jìn)行遠(yuǎn)程的指令下發(fā)及狀態(tài)查詢，并可響應(yīng)防爆計算機的指令，執(zhí)行相應(yīng)的功能。井下的防爆計算機為系統(tǒng)井下部分的最高監(jiān)控層，具有豐富的人機交互界面，可通過端頭控制器實現(xiàn)對液壓支架的遠(yuǎn)程控制，并查詢現(xiàn)場的參數(shù)信息。地面的監(jiān)控層僅具有遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，而不能對井下的液壓支架進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，這是為了保證井下設(shè)備的安全[5]，避免出現(xiàn)地面層的指揮錯誤，地面層的數(shù)據(jù)通過地面交換機及井下的防爆光纖交換機進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸及信息的交換。

2 液壓支架自動化控制系統(tǒng)關(guān)鍵功能的設(shè)計實現(xiàn)

2.1 控制系統(tǒng)端頭控制器通信系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)

由于液壓支架井下綜采工作面的環(huán)境惡劣，具有較強的電磁干擾，對控制系統(tǒng)的通信要求具有良好的實時性及抗干擾性，保證系統(tǒng)信息傳輸?shù)目煽啃?。結(jié)合井下工作面的環(huán)境條件，選用RS485 總線通信的形式進(jìn)行系統(tǒng)的通信設(shè)計。RS485 總線通信采用信號線之間的高低點評進(jìn)行數(shù)據(jù)的判定，具有較好的抗干擾能力[6]。這種通信方式可使控制系統(tǒng)的通信距離達(dá)數(shù)千米，滿足井下綜采工作面長距離的傳輸需求。

控制系統(tǒng)的端頭控制器作為上傳下達(dá)的中間層，對其通信能力具有較高的要求。端頭控制器內(nèi)部集成RS485 及CAN 總線兩種接口形式，其通信接口按照圖2 所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。兩種總線的通信可通過軟硬件的配置實現(xiàn)切換互通，每個通信線路設(shè)置兩路，分別對井下的防爆計算機及液壓支架控制器進(jìn)行通信連接。系統(tǒng)連接中采用雙絞線的設(shè)置，在接口處設(shè)置有撥碼開關(guān)對總線的通斷進(jìn)行控制，從而對通信的外部切換進(jìn)行控制。

圖2 端頭控制器通信接口設(shè)置

2.2 液壓支架狀態(tài)感知在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)

對液壓支架進(jìn)行自動化的控制，需要實時地感知液壓支架的狀態(tài)，對現(xiàn)場的信息進(jìn)行采集并上傳，同時在人機交互界面上可對液壓支架的信息進(jìn)行查詢，從而利用現(xiàn)場的信息進(jìn)行液壓支架的自動化控制。依據(jù)液壓支架的結(jié)構(gòu)特征及作業(yè)特點，對液壓支架的參數(shù)感知信息設(shè)定如圖3 所示。參數(shù)信息包含兩個部分，一部分為經(jīng)過傳感器進(jìn)行采集的液壓支架模擬量數(shù)據(jù)，包括液壓支架的壓力、位移量及采煤機所在的支架編號；另一部分為液壓支架的控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括控制模式、是否存在急停支架、液壓支架的安全信息、通信信息等。

圖3 液壓支架的參數(shù)采集信息

依據(jù)液壓支架的參數(shù)采集信息，對液壓支架進(jìn)行狀態(tài)感知在線監(jiān)測，其實現(xiàn)方式如圖4 所示，支架的控制器連接有不同的傳感器，固定地進(jìn)行模擬量信息的采集。當(dāng)端頭控制器接收到上位機傳輸?shù)牟樵冎噶顣r，從機的液壓支架控制器將液壓支架的狀態(tài)信息反饋給主機的端頭控制器。整個的工作面自動化控制系統(tǒng)接收所有端頭控制器的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析計算存儲，傳輸給防爆計算機，通過循環(huán)的形式對所有的端頭控制器進(jìn)行查詢，由此可以實現(xiàn)對液壓支架的遠(yuǎn)程控制，提高系統(tǒng)的集中控制功能，并可進(jìn)行液壓支架參數(shù)的在線查詢及修改，可以減輕井下的勞動強度，提高液壓支架控制效率。

圖4 液壓支架狀態(tài)感知在線監(jiān)測系統(tǒng)

3 結(jié)語

液壓支架是進(jìn)行煤礦綜采的重要支護(hù)設(shè)備，液壓支架的自動化控制對煤礦的自動化開采具有重要的意義。依據(jù)煤礦的智能化及信息化發(fā)展需求，并結(jié)合液壓支架的電液集中控制系統(tǒng)，設(shè)計了具有遠(yuǎn)程控制及在線感知監(jiān)測的液壓支架工作面自動化控制系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)共分為四級，采用RS485通信的形式，具有較高的可靠性。依據(jù)液壓支架自動控制系統(tǒng)的需求，對關(guān)鍵系統(tǒng)的功能進(jìn)行了設(shè)計開發(fā)，結(jié)合煤礦的生產(chǎn)特點，對控制系統(tǒng)端頭控制器通信系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，實現(xiàn)對液壓支架的控制，并對液壓支架狀態(tài)感知在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，實現(xiàn)對液壓支架的遠(yuǎn)程監(jiān)測及控制。液壓支架工作面自動化控制系統(tǒng)具有實用性強、可靠性高的特點，可應(yīng)用于煤礦液壓支架的自動控制中，降低礦井的勞動強度，提高煤礦的生產(chǎn)效率。