綜采工作面電液控制系統(tǒng)檢測檢驗現(xiàn)狀及趨勢

趙 銳

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 檢測分院，北京 10013；2.國家煤礦支護設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013)

隨著新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，煤礦工作面生產(chǎn)方式已向大型化、機械化、智能化方向發(fā)展。綜采工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)是實現(xiàn)綜采自動化、智能化，提高液壓支架支護效果的關(guān)鍵控制部件[1]。其為煤礦工作面自動化、無人化等智能化安全生產(chǎn)提供了必需的載體，在煤礦工作面高效、自動化生產(chǎn)方面發(fā)揮著重要作用[2，3]。

然而，電液控制系統(tǒng)作為高技術(shù)含量的礦用產(chǎn)品，各研發(fā)、生產(chǎn)企業(yè)對產(chǎn)品的技術(shù)及標準均設(shè)置了重重保護，造成電液控制系統(tǒng)市場存在功能型號不統(tǒng)一、與液壓支架以及采煤機等控制參數(shù)不匹配、受干擾穩(wěn)定性差等問題[4，5]。且現(xiàn)有檢測檢驗?zāi)芰Σ荒軡M足綜采工作面電液控制系統(tǒng)對抗干擾性、穩(wěn)定性、采集數(shù)據(jù)準確性、網(wǎng)絡(luò)傳輸實時性、工作介質(zhì)傳輸穩(wěn)定性等功能測試的需要。導(dǎo)致煤礦綜采工作面生產(chǎn)過程中，因電液控制系統(tǒng)缺陷引發(fā)液壓支架等支護設(shè)備誤動作、支護力不穩(wěn)定、監(jiān)測系統(tǒng)異常等造成的頂板事故時有發(fā)生[6]。

據(jù)統(tǒng)計，煤礦頂板事故中約60%是由于液壓支架等支護設(shè)備的誤動作、不動作引發(fā)的。液壓支架的降、移、升、護幫以及推溜有著嚴格的順序和動作邏輯，一旦發(fā)生誤動作就會引起安全生產(chǎn)事故。根據(jù)《煤礦用液壓支架 第4部分：電液控制系統(tǒng)技術(shù)條件》(報批稿)、歐盟標準 EN 1804-4：2004《井下采礦機械液壓支架安全性要求 第4部分 電液控制系統(tǒng)》的要求，電液控制系統(tǒng)需經(jīng)過供電電源、程控功能、擴展功能、傳感器檢測、通信功能、電源波動適應(yīng)能力、穩(wěn)定性、抗干擾性、防爆性能等安全性能項目檢測檢驗。

因此，綜采工作面電液控制系統(tǒng)檢測檢驗?zāi)芰ㄔO(shè)是適應(yīng)綜采工作面電液控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展、預(yù)防其引發(fā)的安全事故的急切需要。

1 國內(nèi)產(chǎn)品及檢測檢驗?zāi)芰ΜF(xiàn)狀

在國內(nèi)，北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司、鄭州煤礦機械集團股份有限公司等十多家公司生產(chǎn)綜采工作面電液控制系統(tǒng)產(chǎn)品，已經(jīng)超過國外企業(yè)的市場份額，且有繼續(xù)向上發(fā)展的良好趨勢[7-9]。隨著配置電液控制系統(tǒng)的綜采工作面不斷增加，電液控制系統(tǒng)工作可靠性、穩(wěn)定性得到了較好的體現(xiàn)，從而使井下開采從人工開采到智能化無人開采的華麗轉(zhuǎn)變，我國采煤工作面開采方式變遷如圖1所示。

圖1 煤礦井下工作面開采方式變遷圖

但在檢測檢驗?zāi)芰Ψ矫?，手段有限。國?nèi)各大生產(chǎn)企業(yè)在產(chǎn)品生產(chǎn)、研發(fā)上投入了大量的人力、財力，生產(chǎn)技術(shù)及生產(chǎn)自動化水平有了較大的提高。但在檢測方面，受到投入與產(chǎn)出不對稱的影響，企業(yè)在檢測投入方面均較少，不能對電液控制系統(tǒng)進行上述綜合性能的檢測檢驗[10-12]。

煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司檢測中心作為國內(nèi)僅有的電液控制系統(tǒng)國家級檢測檢驗中心，也僅可對電液控制系統(tǒng)進行部分功能的檢測檢驗，對測控系統(tǒng)軟件、系統(tǒng)傳輸穩(wěn)定性、抗干擾性等測試能力仍為空白。

2 國外產(chǎn)品及檢測檢驗?zāi)芰ΜF(xiàn)狀

在國外，電液控制系統(tǒng)產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展較早。英國在20世紀50年代就已將液壓支架的遙控技術(shù)列入研究計劃，到20世紀80年代末至90年代初，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，由英國道梯公司首先研制出全工作面電液控制系統(tǒng)，緊隨其后威斯特伐利亞與Marco公司合作研制出Pm2電液控制系統(tǒng)，并發(fā)展為現(xiàn)有的Pm4和Pm32兩個獨立的分支，這個時期的電液控制系統(tǒng)基于單片機系統(tǒng)開發(fā)，控制系統(tǒng)速率低、容量小、集成度低[13，14]。到20世紀90年代中期，隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，控制系統(tǒng)的速度、容量、集成度都有了較大的提高，涌現(xiàn)出了多種新型材料，使電液控制技術(shù)水平進一步提高，日趨成熟，并迅速推廣，成為美國、德國、澳大利亞等發(fā)達國家綜采工作面液壓支架的首選控制系統(tǒng)。這個時期的電液控制系統(tǒng)基本采用嵌入式操作系統(tǒng)，具有速度高、容量大、集成度高，并內(nèi)嵌操作系統(tǒng)，具有良好的性能[15]。

電液控制系統(tǒng)檢測檢驗方面，歐洲起步較早。歐盟授權(quán)的認證集團-德國機動車監(jiān)督協(xié)會(DEKRA)，1964年開始建設(shè)液壓支架電液控制系統(tǒng)檢測檢驗實驗室，目前已具備同時對整套電液控制系統(tǒng)進行動作控制等測試能力，但也不具備傳輸穩(wěn)定性、整體抗干擾性等功能的檢測檢驗?zāi)芰Α?/p>

3 檢測檢驗系統(tǒng)建設(shè)思路

2015年6月，原國家安全監(jiān)管總局制定了“機械化換人、自動化減人” 科技強安專項行動(安監(jiān)總科技〔2015〕63號)；2016年6月，國家發(fā)展改革委和國家能源局對外發(fā)布《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃(2016—2030年)》，要求2030年實現(xiàn)智能化開采，重點煤礦區(qū)基本實現(xiàn)工作面無人化，全國煤礦采煤機械化程度達到95%以上。因此，大力發(fā)展推廣自動化技術(shù)是實現(xiàn)煤礦安全高效綠色開采的重要方向。而綜采工作面電液控制系統(tǒng)作為綜采自動化的核心部件，其技術(shù)發(fā)展決定著綜采工作面自動化、智能化水平，是“減人、無人化”開采的基礎(chǔ)所在，理應(yīng)在其安全性能檢測檢驗方面有著較高的技術(shù)發(fā)展水平。

隨著社會的進步，所以必要愈加精細的機械設(shè)施投入生產(chǎn)以達到生產(chǎn)需求，傳統(tǒng)的機械制造工藝已無法適應(yīng)現(xiàn)代各個行業(yè)的發(fā)展需求，因而機械制造行業(yè)的從業(yè)者對傳統(tǒng)的機械制造工藝進行改進，已漸漸形成“現(xiàn)代”機械制造工藝。現(xiàn)代機械制造工藝更符合如今的時代特點，更加適應(yīng)現(xiàn)如今社會的生產(chǎn)，體現(xiàn)出社會科技的發(fā)展與創(chuàng)新，現(xiàn)代機械制造工藝必將營造出一個蓬勃發(fā)展的美好未來。

但是，由于電液控制系統(tǒng)產(chǎn)品復(fù)雜多樣性，涉及控制器硬件、測控軟件、信息通訊數(shù)據(jù)采集與處理等多個領(lǐng)域，對該產(chǎn)品進行安全性能檢測檢驗需要從上述幾個方面對其綜合進行。因此，必然是一個系統(tǒng)性的工程，目前國內(nèi)外還沒有一套完整的檢測系統(tǒng)可以完成上述綜合測試。

因此，本文綜合參考國際、國家標準，提出建設(shè)高水平電液控制系統(tǒng)檢測檢驗實驗室的具體思路及方案。(并積極響應(yīng)“十三五”國家《安全生產(chǎn)監(jiān)管部門和煤礦安全監(jiān)察機構(gòu)監(jiān)管監(jiān)察能力建設(shè)規(guī)劃(2016—2020年)》，申請的“綜采工作面電液控制系統(tǒng)安全準入分析驗證實驗室”項目于2018年9月獲得國家發(fā)展改革委批復(fù)立項，立項編號：發(fā)改投資〔2018〕1371號，批復(fù)建設(shè)資金6205萬元人民幣。根據(jù)規(guī)劃要求，實驗室建成后綜合技術(shù)能力水平要達到國際領(lǐng)先水平。)為實現(xiàn)該目標，本文對綜采工作面電液控制系統(tǒng)檢測檢驗進行了詳細設(shè)計與分析，計劃按照三大系統(tǒng)進行建設(shè)。

3.1 安全性能檢測檢驗系統(tǒng)

實現(xiàn)對工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)整體安全性能的檢測檢驗，具備對綜采工作面電液控制系統(tǒng)進行液壓支架本架、鄰架、隔架的降、移、升順序動作控制，系統(tǒng)自動補壓、支架姿態(tài)、自動跟機、遠程測控等控制功能準確性；系統(tǒng)急停、動作終止、集中監(jiān)控裝置遠程控制響應(yīng)時間等安全操作功能可靠性；網(wǎng)絡(luò)故障自診斷、通信等數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性、實時性及抗干擾性等檢測檢驗的能力。測試系統(tǒng)響應(yīng)時間不大于10ms，通信速率1000Mbps、采集頻率5kHz，壓力范圍0～280MPa、準確度等級不低于0.05級，行程范圍0～8000mm、分辨率不低于0.1μm。

該系統(tǒng)主要設(shè)備包含試驗環(huán)境模擬及控制裝置(L形煤壁、采煤機、刮板機、液壓支架及控制器等)、系統(tǒng)電力質(zhì)量保障裝置、FLUKE精密壓力測試儀、液壓支架動態(tài)驅(qū)動與仿真裝置、控制軟件編制平臺、以太網(wǎng)性能測試裝置、無線傳輸驗證裝置、數(shù)據(jù)采集元件準確性控制裝置、瞬態(tài)抗擾度試驗裝置、測試系統(tǒng)等。系統(tǒng)搭建完成后，可以模擬煤礦井下實際工況對液壓支架電液控制系統(tǒng)各種控制動作進行控制模擬，并在具備一定負載條件的聯(lián)機運行狀態(tài)下進行各種安全性能的整體帶載測試，使模擬的測試現(xiàn)場盡量貼近實際工況。系統(tǒng)搭建效果如圖2所示，系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

圖2 電液控制系統(tǒng)安全性能測試系統(tǒng)三維效果圖

圖3 電液控制系統(tǒng)安全性能測試流程圖

3.2 清潔過濾裝置檢測檢驗系統(tǒng)

實現(xiàn)對大流量過濾裝置的通流能力、過濾精度、濾芯強度、冒泡點、納垢容量等安全性能的檢測檢驗，預(yù)防因過濾器故障導(dǎo)致的電液控制系統(tǒng)別卡、誤動作等而引發(fā)安全事故。公稱流量10000L/min、公稱壓力15MPa，輸出氣壓0.002～0.05 MPa、納垢過濾器壓差0～10MPa，噴射流量0.25L/min。

試驗裝置包括冒泡點試驗裝置，用于電液控制系統(tǒng)過濾裝置冒泡點性能檢測檢驗；濾清器多次通過試驗裝置，用于電液控制系統(tǒng)過濾器(站)濾芯的過濾精度和納垢容量的測試；濾芯抗沖擊性能試驗裝置，用于電液控制系統(tǒng)過濾器(站)的抗沖擊性能測試；旁通閥特性試驗裝置測試裝置，用于電液控制系統(tǒng)過濾器(站)大流量初始壓降的性能測試。清潔過濾裝置測試系統(tǒng)三維設(shè)計如圖4所示，系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

圖4 清潔過濾裝置測試系統(tǒng)三維設(shè)計圖

圖5 清潔過濾裝置測試流程圖

3.3 沖擊來壓安全響應(yīng)裝置檢測檢驗系統(tǒng)

實現(xiàn)電液控系統(tǒng)模擬實際工況，對頂板沖擊來壓時系統(tǒng)沖擊安全響應(yīng)裝置等重要部件的安全響應(yīng)、安全保護等性能進行測試。公稱流量達到5000L/min，公稱壓力80MPa，響應(yīng)時間不大于30ms。系統(tǒng)搭建三維設(shè)計如圖6所示，系統(tǒng)工作流程如圖7所示。

圖6 沖擊來壓安全響應(yīng)測試系統(tǒng)三維設(shè)計圖

圖7 沖擊來壓安全響應(yīng)測試流程圖

4 檢測檢驗的發(fā)展趨勢

隨著電液控制系統(tǒng)在煤礦綜采工作面的快速普及，一些大型工作面單面電液控制系統(tǒng)布置數(shù)量將近300套。因此，將有大量的、不同型號的電液控制系統(tǒng)需要進行檢測檢驗。這對電液控制系統(tǒng)測試能力和效率均提出更高的要求。

5 結(jié) 語

隨著電液控制系統(tǒng)三大檢測檢驗系統(tǒng)的建立，我國煤炭行業(yè)將具備礦井(區(qū))工作面電液控制系統(tǒng)安全性能綜合測試能力，可有效為國家煤礦安全監(jiān)管監(jiān)察提供技術(shù)支撐和服務(wù)；并可為綜采工作面電液控制系統(tǒng)檢測檢驗、安全標準和規(guī)范的制(修)訂、事故調(diào)查分析、測試技術(shù)和方法研究等提供服務(wù)。為煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)管監(jiān)察提供科學(xué)、有效的技術(shù)依據(jù)。主要表現(xiàn)為：

1)接受國家應(yīng)急管理部的委托，為綜采工作面電液控制系統(tǒng)及其核心元部件等設(shè)備開展遠程可視化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化檢測檢驗服務(wù)，大大提高我國礦用電液控制系統(tǒng)安全使用性能；

2)接受國家應(yīng)急管理部委托，對由綜采工作面電液控制系統(tǒng)引發(fā)的頂板事故進行調(diào)查分析等，為事故溯源提供科學(xué)有效的逆向追蹤途徑和數(shù)據(jù)；

3)開展綜采工作面電液控制系統(tǒng)安全性、關(guān)鍵性測試技術(shù)、測試方法與測試裝備研發(fā)工作，及相關(guān)安全規(guī)程、規(guī)范、標準的研究工作，為完善、綜采工作面電液控制系統(tǒng)標準和規(guī)范提供技術(shù)依據(jù)。

綜上所述，通過建設(shè)三大檢測檢驗系統(tǒng)，實現(xiàn)綜采工作面電液控制系統(tǒng)測試能力與產(chǎn)品技術(shù)的同步發(fā)展，并與國際接軌，能夠滿足未來20年綜采工作面電液控制系統(tǒng)檢測檢驗需求，其綜合技術(shù)能力將達到國際領(lǐng)先水平。