衡中豪

（霍州煤電集團河津薛虎溝煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 河津 043300）

液壓支架是煤礦井下回采工作面“三機一架”的核心裝備，主要用于對綜采面進行支護，提高綜采作業(yè)的安全性。在工作過程中液壓支架是成組使用的，需要根據(jù)采煤機和液壓支架的相對位置狀態(tài)進行降柱－移架－收放護幫板作業(yè)，以滿足綜采安全性的需求。目前薛虎溝煤業(yè)對液壓支架運行狀態(tài)的控制一般采用支架控制器進行獨立控制的模式，不斷的判斷采煤機和液壓支架的相對位置狀態(tài)，然后自主判斷液壓支架需要進行控制的動作。但該控制模式存在可靠性低、控制滯后性大的缺陷，經(jīng)常出現(xiàn)支架動作不及時導(dǎo)致的片幫或者支護不到位現(xiàn)象，給煤礦井下的綜采作業(yè)效率和安全造成了嚴(yán)重的影響。 為解決上述問題，提出了一種新的煤礦井下液壓支架組智能控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計

該系統(tǒng)采用了集中控制的方式，將集控中心設(shè)置在地面控制中心內(nèi)，對采煤機和不同編號液壓支架的相對位置狀態(tài)進行統(tǒng)一判斷，并向?qū)?yīng)支架發(fā)出動作指令，同時系統(tǒng)對各支架的動作執(zhí)行情況進行監(jiān)測，執(zhí)行到位后才會發(fā)出進一步的控制指令，從而保證了各支架動作的可靠性。 根據(jù)實際應(yīng)用表明，該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對支架組運行狀態(tài)的統(tǒng)一調(diào)控，有效避免了調(diào)控不及時導(dǎo)致的片幫問題，調(diào)控速度快、穩(wěn)定性高，顯著提升了井下綜采作業(yè)效率和安全性。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

新的液壓支架組智能控制系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計的思想，主要包括傳感器模塊、端頭控制模塊和間架控制器3 個部分。 為了確保數(shù)據(jù)信息傳遞的精確性，各個模塊間的數(shù)據(jù)傳遞采用了RS485數(shù)據(jù)總線，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示[1]。

圖1 液壓支架組智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由圖1 可知，系統(tǒng)的傳感器模塊主要包括紅外接收器、位移傳感器、壓力傳感器等。 這些傳感器主要用于對液壓支架和采煤機相對位置的判斷、 對液壓支架執(zhí)行油缸伸縮量的判斷以及對執(zhí)行油缸工作狀態(tài)的判斷，滿足精確監(jiān)控的需求[2]。間架傳感器是該控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)控制單元，一方面收集各監(jiān)測傳感器的監(jiān)測信息并經(jīng)過初步分析處理后傳遞給端頭控制器，一方面實現(xiàn)作為執(zhí)行單元，對液壓支架運行狀態(tài)進行直接控制。

端頭控制器作為該控制系統(tǒng)的橋梁，起著聯(lián)系監(jiān)控中心和間架控制器的作用，其一方面對各液壓支架的狀態(tài)、相對采煤機的位置進行判斷，然后發(fā)出集中調(diào)控指令，實現(xiàn)對液壓支架組運行狀態(tài)的統(tǒng)一控制；另一方面將相關(guān)信息傳遞給監(jiān)控中心，實現(xiàn)對液壓支架組運行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制。

2.2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

端頭控制器作為聯(lián)系上下游控制的核心，需要具有強大的數(shù)據(jù)處理功能。 因此，在設(shè)計端頭控制器時采用了雙“CPU”設(shè)計方案，對數(shù)據(jù)進行分開計算和處理，其整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示[3]。

圖2 端頭控制器結(jié)構(gòu)

由圖2 可知，端頭控制器中的CPU分為巡檢CPU和主控CPU。 其中，巡檢CPU主要用于分析各監(jiān)控單元所返回的監(jiān)測數(shù)據(jù)信號并將分析結(jié)果傳遞給監(jiān)控中心；主控CPU主要用接收控制中心傳遞過來的數(shù)據(jù)指令，并控制各間架控制器執(zhí)行相關(guān)動作。 兩個CPU之間的數(shù)據(jù)交換采用了快速接口，能夠確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖傩院途_性，對外數(shù)據(jù)的傳輸均通過RS485 通信電路完成。

端頭控制器對液壓支架運行狀態(tài)的控制，主要是以采煤機和液壓支架的相對位置為依據(jù)進行調(diào)控的，通過建立采煤機、液壓支架相對工藝流程模型，設(shè)定采煤機和液壓支架在不同工藝階段的相對位置狀態(tài)，將提前設(shè)定量輸入到端頭控制器內(nèi)，系統(tǒng)接收到采煤機和液壓支架的相對位置信號后即可發(fā)出調(diào)整控制信號，實現(xiàn)對液壓支架運行狀態(tài)的動態(tài)調(diào)整。

2.3 控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

在該控制系統(tǒng)中，端頭控制器首先接收到集控中心發(fā)出的控制指令，然后結(jié)合所獲取的采煤機截割作業(yè)過程中的工藝段號和各液壓支架的工作狀態(tài)，將分析結(jié)果傳遞給集控中心[4]。 端頭控制器對各參數(shù)的運行正常性進行分析判斷，若參數(shù)異常則對異常參數(shù)進行標(biāo)定并發(fā)出報警信號，系統(tǒng)退出集控模式，若各參數(shù)均正常則向?qū)?yīng)支架的架間控制器發(fā)出控制指令，該端頭控制器獲取集控中心指令的控制流程如圖3（a）所示。

端頭控制器對各液壓支架的運行狀態(tài)進行調(diào)控的過程中，首先對液壓支架組內(nèi)各個支架的工作情況進行巡檢并結(jié)合紅外線位置定位系統(tǒng)的信息確定采煤機的具體位置，結(jié)合采煤機綜采作業(yè)的方向判斷出采煤機前后方向上需要進行降柱、移架、升柱、推溜、收放護幫板、噴霧作業(yè)的支架的編號，然后發(fā)出調(diào)節(jié)指令；在控制的過程中為了避免出現(xiàn)誤調(diào)節(jié)的情況，在控制時對各支架執(zhí)行不同的動作設(shè)置了相應(yīng)的極限運動時間，若不能在極限時間內(nèi)完成動作，系統(tǒng)將自動進行報警并退出，從而實現(xiàn)了雙閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，確保了調(diào)節(jié)穩(wěn)定性，其控制流程如圖3（b）所示[5]。

圖3 端頭控制器不同階段控制邏輯

3 應(yīng)用分析

為了對該集中控制系統(tǒng)的應(yīng)用情況進行分析，對薛虎溝煤業(yè)井下工作面液壓支架組的控制系統(tǒng)進行升級改造。 根據(jù)新控制系統(tǒng)3 個月的運行情況統(tǒng)計，優(yōu)化后系統(tǒng)對液壓支架的控制效率顯著提升，未出現(xiàn)過因調(diào)整不及時導(dǎo)致的綜采停線情況，在使用過程中出現(xiàn)了2 次因升柱不及時導(dǎo)致的報警情況，影響綜采作業(yè)11 min，比優(yōu)化前的112 min降低了90.2%，顯著提升了井下液壓支架組控制的精度和效率。

4 結(jié)論

針對井下液壓支架組控制系統(tǒng)復(fù)雜、 滯后性大，導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)片幫的問題。 提 出了一種新的液壓支架組智能控制系統(tǒng)，采用了集中控制的方式，對液壓支架組中各個支架進行統(tǒng)一控制和調(diào)整，根據(jù)實際應(yīng)用表明：

1）液壓支架組智能控制系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計的思想，各個模塊間的數(shù)據(jù)傳遞采用了RS485數(shù)據(jù)總線，控制精度高，可靠性好。

2）端頭支架控制器采用了雙CPU控制方案，能夠確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖傩院途_性。

3）新的控制方案，能夠?qū)崿F(xiàn)對支架組運行狀態(tài)的統(tǒng)一調(diào)控，有效避免了調(diào)控不及時導(dǎo)致的片幫問題，將因調(diào)控不及時影響綜采作業(yè)的時間降低90.2%。