高 鵬

（霍州煤電集團(tuán)河津五星煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 河津 043302）

綜采工作面“自動(dòng)化”和“人化”對(duì)于提高煤礦開(kāi)采安全性具有重要意義,實(shí)現(xiàn)煤礦綜采工作面自動(dòng)化的關(guān)鍵就是對(duì)綜采機(jī)電設(shè)備進(jìn)行可靠的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、控制及故障診斷,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“少人化”綜采工作面。隨著能源技術(shù)革命及采煤機(jī)械技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，實(shí)現(xiàn)煤礦的智能化開(kāi)采及無(wú)人化作業(yè)是進(jìn)行煤礦持續(xù)開(kāi)采的必要舉措。隨著煤礦綜采技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，液壓支架作為綜采自動(dòng)化的重要支護(hù)設(shè)備，通過(guò)液壓油的作用實(shí)現(xiàn)支架的推移、支護(hù)等工作，為煤礦的自動(dòng)化綜采提供支護(hù)，液壓支架綜采過(guò)程中跟隨刮板輸送機(jī)的軌道行進(jìn)，而行進(jìn)的方向及速度需與采煤機(jī)的作業(yè)一致，實(shí)現(xiàn)跟機(jī)作業(yè)，保證煤礦的自動(dòng)化開(kāi)采[1]。對(duì)液壓支架綜采過(guò)程中自動(dòng)化跟機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，依據(jù)視覺(jué)相機(jī)進(jìn)行采煤機(jī)位置的信息采集，并進(jìn)行信息的處理從而對(duì)液壓支架的動(dòng)作及姿態(tài)調(diào)整進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)液壓支架的自動(dòng)化跟機(jī)作業(yè)，保證煤礦綜采的自動(dòng)化作業(yè)，提高煤礦開(kāi)采的效率及安全性[2]。

1 液壓支架綜采自動(dòng)化跟機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 控制系統(tǒng)構(gòu)成

液壓支架進(jìn)行工作面支護(hù)的過(guò)程中，依據(jù)控制系統(tǒng)的指令對(duì)液壓系統(tǒng)的動(dòng)作進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)液壓支架結(jié)構(gòu)部件姿態(tài)的調(diào)整，并依據(jù)工作面的整體工況進(jìn)行支架的推移作業(yè)。液壓支架的電液控制系統(tǒng)包括上位機(jī)操作程序、電液控制器、控制閥組、傳感器等組成，系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1 液壓支架電液控制系統(tǒng)的組成

1.2 控制系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

在液壓支架進(jìn)行支護(hù)的過(guò)程中，需依據(jù)采煤機(jī)的位置及狀態(tài)進(jìn)行液壓支架的調(diào)整控制，電液控制器是液壓支架進(jìn)行自動(dòng)控制的核心，與液壓系統(tǒng)的電磁換向閥組相連接，從而對(duì)支架的機(jī)械部分進(jìn)行控制。控制系統(tǒng)常用的傳感器包括壓力、位移傳感器及紅外接收器，對(duì)液壓支架立柱的支撐壓力及支架移動(dòng)的位移信號(hào)進(jìn)行采集，并通過(guò)紅外接收器對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行定位，從而為跟機(jī)作業(yè)提供信號(hào)。上位機(jī)用于顯示液壓支架的工作狀態(tài)參數(shù)信息，可進(jìn)行遠(yuǎn)程的監(jiān)控操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架的遠(yuǎn)程交互控制，提高工作面的無(wú)人化程度。

液壓支架綜采自動(dòng)化跟機(jī)控制系統(tǒng)可分為井上及井下兩部分。井下部分為液壓支架自動(dòng)化跟機(jī)控制的主要部分，主要依據(jù)工作面的設(shè)備配置進(jìn)行控制系統(tǒng)的配置，包括電液控制子系統(tǒng)、順槽監(jiān)控子系統(tǒng)[3]。

電液控制子系統(tǒng)。采用IMU傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架自身位姿狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，同時(shí)采用視覺(jué)處理技術(shù)對(duì)采煤機(jī)的位姿信息進(jìn)行獲取，采用Powerlink 通信模塊實(shí)現(xiàn)液壓支架多節(jié)點(diǎn)的快速響應(yīng)，提高控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)；順槽監(jiān)控子系統(tǒng)布置在工作面的順槽設(shè)備車(chē)上，包括液壓支架的遠(yuǎn)程控制模塊及人機(jī)交互模塊、視覺(jué)處理模塊及狀態(tài)參數(shù)監(jiān)控模塊，將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)Ethernet 傳輸?shù)絎incc 監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集傳輸。井上部分為地面的監(jiān)控系統(tǒng)及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，地面監(jiān)控子系統(tǒng)通過(guò)光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架的遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時(shí)可將攝像機(jī)采集的視頻信息傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控子系統(tǒng)中，可直觀地查看液壓支架的運(yùn)行狀態(tài)。液壓支架綜采自動(dòng)化跟機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖2所示，控制器的硬件系統(tǒng)包括3個(gè)微控單元（MCU）、通信模塊、人機(jī)操作界面、數(shù)據(jù)采集處理模塊及電磁閥的驅(qū)動(dòng)模塊?？刂葡到y(tǒng)采用監(jiān)測(cè)與控制分離的總線傳輸，便于進(jìn)行多架同步控制及遠(yuǎn)程控制，減少系統(tǒng)的延時(shí)。對(duì)于系統(tǒng)采集的檢測(cè)參數(shù)采用Ethernet 進(jìn)行傳輸，對(duì)于控制指令的下發(fā)及反饋采用Powerlink 進(jìn)行傳輸，采用模塊化的多MCU 分別進(jìn)行通信管理，通過(guò)RS485與操作面板進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架跟機(jī)的自動(dòng)化實(shí)時(shí)控制[4]。

圖2 液壓支架自動(dòng)化跟機(jī)控制系統(tǒng)的整體框圖

2 液壓支架綜采自動(dòng)化跟機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

在液壓支架綜采自動(dòng)化跟機(jī)控制系統(tǒng)中依據(jù)采煤機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行液壓支架的跟機(jī)控制，需要依據(jù)采煤機(jī)的位置及姿態(tài)進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整，由于開(kāi)采過(guò)程中受到煤巖分布、刮板輸送機(jī)的直線度及煤層的變化等影響，采煤機(jī)的速度會(huì)產(chǎn)生一定的變化，影響液壓支架的跟隨準(zhǔn)確性，甚至產(chǎn)生截割干涉，影響煤礦的安全開(kāi)采[5]。針對(duì)采煤機(jī)的運(yùn)動(dòng)，在液壓支架的頂梁位置安裝紅外攝像機(jī)，同時(shí)在采煤機(jī)的搖臂上安裝相應(yīng)的檢測(cè)信標(biāo)，其安裝示意如圖3所示。

圖3 液壓支架自動(dòng)跟機(jī)決策系統(tǒng)的安裝示意圖

建立液壓支架自動(dòng)化跟機(jī)控制的決策系統(tǒng)，通過(guò)攝像機(jī)進(jìn)行信標(biāo)圖像的采集，利用圖像處理技術(shù)檢測(cè)液壓支架與采煤機(jī)之間的相對(duì)姿態(tài)，對(duì)液壓支架的調(diào)整進(jìn)行控制，保證液壓支架跟機(jī)的準(zhǔn)確性。在實(shí)際安裝開(kāi)采中，為避免落煤對(duì)信標(biāo)的遮擋，在安裝過(guò)程中可將信標(biāo)適當(dāng)?shù)乜拷鼡u臂方向，保證信標(biāo)的中心與采煤機(jī)的滾筒中心線及搖臂的中心線重合，從而依據(jù)信標(biāo)的位置計(jì)算出采煤機(jī)的位姿。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合系統(tǒng)的安裝位置，得到液壓支架與采煤機(jī)的相對(duì)姿態(tài)信息及采煤機(jī)的截割狀態(tài)，從而對(duì)液壓支架的跟機(jī)動(dòng)作做出控制[6]。

3 液壓支架綜采自動(dòng)化跟機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果

對(duì)液壓支架綜采自動(dòng)化跟機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果進(jìn)行測(cè)試分析，在煤礦的工作面對(duì)液壓支架加裝相應(yīng)的傳感器及紅外攝像機(jī)，并安裝自動(dòng)控制系統(tǒng)搭建系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)。采煤機(jī)在刮板輸送機(jī)上進(jìn)行移動(dòng)，通過(guò)紅外攝像機(jī)采集信標(biāo)圖像進(jìn)行姿態(tài)計(jì)算，從而得到采煤機(jī)的位置信息。受刮板輸送機(jī)的長(zhǎng)度限制，針對(duì)前4架液壓支架的位置進(jìn)行測(cè)定分析，各安裝一臺(tái)紅外攝像機(jī)，并在不同的時(shí)段進(jìn)行采煤機(jī)滾筒信標(biāo)的圖像采集，通過(guò)Powerlink 模塊傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)上位機(jī)中進(jìn)行分析計(jì)算得到采煤機(jī)的位置數(shù)據(jù)[7]。在采煤機(jī)移動(dòng)過(guò)程中，對(duì)采煤機(jī)的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)定得到采煤機(jī)的位置數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 采煤機(jī)位置測(cè)定數(shù)據(jù)曲線

其中1 號(hào)液壓支架在采煤機(jī)前進(jìn)方向上間隔35cm，相鄰液壓支架的中心距離為130cm。從圖4 中可以看出，液壓支架綜采自動(dòng)化跟機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)采煤機(jī)位置的測(cè)定分析誤差小于3mm，具有較高的測(cè)量精度，能夠?qū)崿F(xiàn)液壓支架對(duì)采煤機(jī)跟機(jī)的自動(dòng)化精確控制。

4 結(jié)論

液壓支架是進(jìn)行煤礦自動(dòng)化綜采的重要支護(hù)設(shè)備。在開(kāi)采過(guò)程中，為實(shí)現(xiàn)液壓支架的自動(dòng)化無(wú)人控制，需要跟隨采煤機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化的移動(dòng)作業(yè)。針對(duì)液壓支架綜采自動(dòng)化跟機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)電液自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)液壓支架支護(hù)位姿的自動(dòng)化感知及控制，并通過(guò)紅外攝像機(jī)對(duì)采煤機(jī)位置進(jìn)行測(cè)定，得到較好的測(cè)定效果，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的自動(dòng)化跟機(jī)控制。