綜采工作面人員定位與液壓支架協(xié)同控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)分析

傅育繁

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)挖金灣煤業(yè)有限公司，山西 大同 037003）

引言

在井下綜采工作面運(yùn)用智能化的控制系統(tǒng)時(shí)，通常采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)以及相應(yīng)的液壓支架等都會(huì)在設(shè)定的程序下開始運(yùn)行，假如出現(xiàn)一定的問題，那么將會(huì)給工作面巡檢人員帶來較大的安全隱患。因此，為了能夠避免工作面工作人員不再受到威脅，同時(shí)結(jié)合井下定位系統(tǒng)，進(jìn)而設(shè)計(jì)出綜采工作面液壓和工作人員系統(tǒng)互動(dòng)的系統(tǒng)，并對(duì)形成的聯(lián)合閉鎖控制形式展開分析。

1 智能化工作面液壓支架與人員定位協(xié)同系統(tǒng)

1）智能化綜采工作面液壓支架電控單元與人員定位精度識(shí)別系統(tǒng)傳輸信息的過程中，可以借助無(wú)連接通信協(xié)CSC實(shí)現(xiàn)信息傳輸。其工作過程由定位系統(tǒng)將采集到的人員信息與工作人員所處位置的液壓支架架號(hào)等信息實(shí)時(shí)傳輸給液壓支架電控控制單元。

2）在智能化綜采工作面控制中心應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，能夠有效地處理定位系統(tǒng)中的相關(guān)信息，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)對(duì)巡檢工作人員位置信息與相配的液壓支架信息進(jìn)行保存，同時(shí)系統(tǒng)能夠自動(dòng)生產(chǎn)電子數(shù)據(jù)表格，從而可以將其作為液壓支架解閉鎖數(shù)據(jù)的重要依據(jù)。

3）在綜采工作面布置可視化的液壓支架電控單元，相關(guān)工作人員可以借助定位單元讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息，同時(shí)將獲得信息在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行可視化處理，這樣方便工作人員查看支架信息、此外，可以把與液壓支架架號(hào)匹配的人員動(dòng)態(tài)信息傳輸給液壓支架控制單元，當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，那么將直接閉鎖工作人員所在的支架。圖1液壓支架電控系統(tǒng)上位機(jī)人員定位信號(hào)傳輸流程。

圖1 液壓支架電控系統(tǒng)上位機(jī)人員定位方案

2 人員定位與液壓支架協(xié)同安全控制系統(tǒng)各分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 人員定位高精度識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

人員定位高精度識(shí)別系統(tǒng)，包括如下幾個(gè)模塊：智能綜采工作面定位基站模塊、支架控制裝置、高精度定位服務(wù)器模塊、液壓支架控制主機(jī)[1]。一般需要在工作面支架按照人員定位基站，從而該基站能夠?qū)⑿盘?hào)遍布整個(gè)工作面，其定位精度可以控制在30 cm以內(nèi)。假如發(fā)現(xiàn)佩戴者定位器的工作人員的信息時(shí)，這時(shí)基站可以發(fā)出5 m/s的動(dòng)態(tài)識(shí)別信息，進(jìn)而能夠在最快的時(shí)間內(nèi)識(shí)別工作人員的位置，與此同時(shí)將該信息出輸給定位基站，這樣基站定位工作人員的信息可以經(jīng)過基站實(shí)施傳輸給定位器，接著服務(wù)器將處理后的信息實(shí)施傳輸給液壓支架控制單元，經(jīng)過信息的處理后，可以將信息傳輸給液壓支架，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)解閉鎖控制。

2.2 智能化綜采工作面區(qū)域控制劃分

對(duì)于綜采工作面而言，往往需要對(duì)如下四個(gè)區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)檢查：

在采煤機(jī)前滾筒附近，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)滾筒頂部高度、采煤機(jī)速度。在采煤機(jī)的后滾筒附近，對(duì)滾筒底部位置進(jìn)行實(shí)施監(jiān)控。在跟機(jī)收護(hù)幫液壓支架后方，這時(shí)巡檢工作人員需要控制液壓支架的守護(hù)幫動(dòng)作。在跟機(jī)移溜液壓支架控制前方位置，巡檢工作人員對(duì)液壓支架移溜進(jìn)行操作。同時(shí)需要對(duì)不同的區(qū)域設(shè)置相應(yīng)的巡檢工作人員進(jìn)行維護(hù)操作。

依據(jù)智能化綜采工作面的控制需要，可以將液壓支架控制單元設(shè)置為三個(gè)區(qū)域：區(qū)域A為：液壓支架移溜區(qū)，區(qū)域B為：液壓支架移架區(qū)，區(qū)域C為液壓支架收護(hù)幫區(qū)，如圖2所示。

圖2 工作面自動(dòng)控制及人員分布區(qū)域劃分

當(dāng)采煤機(jī)位置工作面實(shí)施采煤的過程中，通常液壓支架將會(huì)隨著跟機(jī)運(yùn)動(dòng)，這時(shí)巡檢人員在采煤機(jī)前工作時(shí)，往往需要隨著采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)并且進(jìn)行相應(yīng)的操作，經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)在如下兩種狀態(tài)下跟進(jìn)機(jī)液壓支架動(dòng)作與相應(yīng)的工作人員位置支架閉鎖發(fā)生沖突：

1）當(dāng)出現(xiàn)4號(hào)區(qū)域與A區(qū)域發(fā)生重疊，而4號(hào)區(qū)域處于跟機(jī)操作狀態(tài)，那么液壓支架處于閉鎖狀態(tài)，將導(dǎo)致出現(xiàn)后方跟機(jī)推溜液壓支架在發(fā)生推溜時(shí)出現(xiàn)重疊動(dòng)作。位于區(qū)域A時(shí)，跟機(jī)推溜支架與4號(hào)將隨著架號(hào)的增加而出現(xiàn)距離變小的現(xiàn)象。此外，由于巡檢工作人員位于閉鎖支架理論位置時(shí)必須最大限度的縮短解鎖時(shí)間[2]。

2）當(dāng)2號(hào)區(qū)域、B區(qū)域發(fā)生重疊時(shí)，在2號(hào)的工作人員進(jìn)行跟機(jī)操作時(shí)，而液壓支架處于閉鎖狀態(tài)。假如位于B位置的液壓支架在實(shí)現(xiàn)跟機(jī)移架時(shí)，那么將出現(xiàn)兩個(gè)區(qū)域位置越來越近的情況，最終出現(xiàn)重疊的現(xiàn)象。

2.3 支架解、閉鎖聯(lián)合協(xié)同控制設(shè)計(jì)方案

2.3.1 閉鎖控制設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)將人員位置信息精確地傳給液壓支架控制單元，經(jīng)過系統(tǒng)處理之后的信息，再次傳輸給支架控制單元。

實(shí)現(xiàn)原理：經(jīng)過采集工作人員的定位信息，并且對(duì)其進(jìn)行處理之后，系統(tǒng)能夠?qū)?duì)應(yīng)支架的工作人員動(dòng)態(tài)變量設(shè)置為1，假如電控系統(tǒng)經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)支架對(duì)象模型參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，將該參變量傳輸給相應(yīng)的架號(hào)的液壓支架，與此同時(shí)發(fā)出閉鎖指令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢工作人員所在支架的控制，與此同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)閉鎖控制，如圖3所示的上位機(jī)閉鎖控制設(shè)計(jì)流程圖。

圖3 液壓支架電控系統(tǒng)上位機(jī)閉鎖控制設(shè)計(jì)流程圖

2.3.2 解鎖控制設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)在工作的過程中，位于井下的工作人員通過跟機(jī)操作，其可以有效地保證巡檢支架處于閉鎖的工作狀態(tài)。那么當(dāng)巡檢工作人員在跟進(jìn)過程中，該系統(tǒng)將解鎖閉鎖支架。通常該解鎖形式有如下兩種：主動(dòng)解鎖形式、被動(dòng)解鎖形式[3]。

1）在進(jìn)行跟機(jī)操作時(shí)，被動(dòng)解鎖巡檢工人離開工作位置后，高精度定位服務(wù)器不在進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)。通常在系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置有5 s未接收到上位機(jī)數(shù)據(jù)信息響應(yīng)機(jī)制，當(dāng)出現(xiàn)超過5 s未收到信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)人員已經(jīng)離開該位置。圖4支架被動(dòng)解鎖理圖。

圖4 支架被動(dòng)解鎖控制原理圖

2）對(duì)于主動(dòng)解鎖高精度定位服務(wù)器而言，其能夠不間斷地向上位機(jī)傳輸人員定位信息，間隔時(shí)間為1 s。當(dāng)系統(tǒng)上位機(jī)接收到信號(hào)后，每間隔3 s時(shí)間向支架控制裝置傳輸1條閉鎖指令，同時(shí)控制裝置間隔3 s進(jìn)行1次閉鎖操作。當(dāng)巡檢工作人員繼續(xù)跟機(jī)操作后，該定位服務(wù)系統(tǒng)不在向上位機(jī)傳輸工作人員的位置信息，其中持續(xù)時(shí)間達(dá)到5 s并未接受信號(hào)后，相應(yīng)的上位機(jī)在內(nèi)部設(shè)定的程序進(jìn)行判斷指出工作人員已經(jīng)離開支架，相應(yīng)的支架控制裝置可以依據(jù)在其內(nèi)部設(shè)置的程序指令實(shí)現(xiàn)自動(dòng)解鎖功能。假如系統(tǒng)為主動(dòng)解鎖功能下，相應(yīng)的支架控制器裝置不需要上位機(jī)所發(fā)出的命令，從而能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)解鎖功能。

2.3.3 實(shí)時(shí)定位以及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)同控制

為了使得閉鎖狀態(tài)下的液壓支架實(shí)現(xiàn)跟機(jī)，必須在跟機(jī)動(dòng)作之前實(shí)現(xiàn)液壓支架解鎖。由此可以看出該系統(tǒng)必須能夠精確地計(jì)算出支架控制裝置的解鎖延遲時(shí)間上限。通過分析圖1可以發(fā)現(xiàn)巡檢工作人員與采煤機(jī)能保持一致。當(dāng)采煤機(jī)進(jìn)行采煤的過程中必須保證巡檢工作人員的運(yùn)動(dòng)速度與采煤機(jī)的進(jìn)度保持一致。假如巡檢工作人員不能與采煤機(jī)保持同步時(shí)，延緩人員定位服務(wù)器將停止給系統(tǒng)上位機(jī)發(fā)送信息，導(dǎo)致延遲液壓支架解鎖時(shí)間。因此為了能夠有效地使得巡檢工作人員在在一個(gè)跟機(jī)時(shí)間內(nèi)完成解鎖液壓支架的動(dòng)作，必須保證巡檢工作人員的速度與液壓支架主動(dòng)解鎖時(shí)間小于2號(hào)巡檢工行動(dòng)與2號(hào)采煤機(jī)司機(jī)行動(dòng)內(nèi)的支架控制自動(dòng)解鎖時(shí)間。

3 結(jié)語(yǔ)

1）結(jié)合智能綜采工作面與人員定位精度識(shí)別系統(tǒng)，同時(shí)需要充分考慮綜采工作面液壓支架控制單元與液壓支架執(zhí)行裝置，進(jìn)而設(shè)計(jì)出智能綜采工作面安全控制系統(tǒng)。

2）經(jīng)過工程實(shí)踐對(duì)某礦智能化綜采工作面進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)能夠按照設(shè)定的指令發(fā)出動(dòng)作。經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)在解鎖方面的反應(yīng)時(shí)間大于理論值，其誤差在5~7 s之間，主要是由于無(wú)線電傳輸過程中信號(hào)不良所致。在進(jìn)行測(cè)試的過程中，該設(shè)計(jì)方案依舊存在一定的問題，比如巡檢工作人員的位置與液壓支架跟機(jī)位置重疊時(shí)，跟機(jī)人員的閉鎖支架將會(huì)與跟機(jī)液壓支架發(fā)生沖突，在后續(xù)的研究中能夠有效地解決該問題。