液壓支架電液控制系統(tǒng)在成莊礦的研究應(yīng)用

王少璞 張 強(qiáng)

(山西晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006)

1 引言

成莊煤礦151307工作面采高2.4～4.5 m，支撐掩護(hù)式，工作面長(zhǎng)為200 m，工作面走向?yàn)?800 m，平均采高約3.6 m，支架為4立柱支架，安裝115個(gè)支架，機(jī)頭機(jī)尾各3個(gè)架，2個(gè)過渡架，即機(jī)頭機(jī)尾共10個(gè)架，中間架105個(gè)，排頭架為6柱式支架。本文在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和礦方需求分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套工作面電液控制系統(tǒng)。

2 工作面電液控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

成莊煤礦151307工作面電液控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如圖1，由支架就地控制、端頭集中控制、順槽監(jiān)控和地面調(diào)度四級(jí)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。

圖1 電液控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

3 工作面電液控制系統(tǒng)各子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 支架控制系統(tǒng)

支架控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的最底層，主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，并將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，同時(shí)向支架發(fā)送相應(yīng)的動(dòng)作命令。

3.1.1 硬件設(shè)計(jì)

支架控制器系統(tǒng)組成如圖2。由各種傳感器、控制電路、RS485和SPI接口電路等組成[1]。

圖2 支架控制器功能結(jié)構(gòu)圖

3.1.2 實(shí)現(xiàn)功能

（1）就地控制模式

就地控制模式是煤礦綜采工作面的支架操作工通過控制器自帶的鍵盤直接輸入控制命令，控制鄰近液壓支架的各種動(dòng)作，包括鄰架控制功能、參數(shù)設(shè)定功能、信號(hào)檢測(cè)功能、自動(dòng)排序功能、人機(jī)交互功能以及控制模式切換功能等。

鄰架控制功能是支架控制的操作鄰近液壓支架的動(dòng)作，分為鄰架單動(dòng)作控制、鄰架組合控制、成組推鎦控制等。鄰架單動(dòng)作控制是一次操作只操作控制液壓支架的一個(gè)動(dòng)作；鄰架組合控制用于同時(shí)控制一臺(tái)液壓支架的兩個(gè)動(dòng)作。成莊礦在進(jìn)行支護(hù)操作時(shí)，要對(duì)前立柱和后立柱同時(shí)升降，所以升前柱和升后柱、降前柱和降后柱控制要組合起來一起進(jìn)行控制。在拉架時(shí)，為減小支架移動(dòng)時(shí)與底板的磨擦力，先要進(jìn)行提底動(dòng)作，再進(jìn)行拉架動(dòng)作，所以提底和拉架兩個(gè)動(dòng)作要能組合控制。實(shí)際操作中，有三種組合動(dòng)作，升前柱和升后柱、降前柱和降后柱以及提底和拉架動(dòng)作。成組推鎦動(dòng)作是控制多臺(tái)液壓支架來推出刮板輸送機(jī)。

（2）自動(dòng)排序

自動(dòng)排序是控制器實(shí)現(xiàn)有序控制的前提。采用架間通訊進(jìn)行支架編號(hào)能自動(dòng)排序，可在兩個(gè)方向?qū)崿F(xiàn)排序，工作面支架控制器號(hào)全部初始化為1，通過機(jī)頭或機(jī)尾支架進(jìn)行全工作面自動(dòng)排序，也能進(jìn)行局部排序。

（3）遠(yuǎn)程控制模式

在遠(yuǎn)程模式下響應(yīng)端頭控制器發(fā)來的控制命令，工作面的支架接收到命令后執(zhí)行各種動(dòng)作。同時(shí)響應(yīng)端頭控制器的巡檢命令，將各種位移傳感器、壓力傳感器實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)以及支架運(yùn)行狀態(tài)信息等上傳至端頭控制器。

3.2 端頭集控系統(tǒng)

端頭集控系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的中樞環(huán)節(jié)，其核心裝置是端頭控制器，它一方面和支架控制系統(tǒng)相連，向支架控制器下傳設(shè)置的參數(shù)，巡檢支架控制器獲取整個(gè)工作面液壓支架運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)；另一方面與順槽監(jiān)控系統(tǒng)相連，接收防爆計(jì)算機(jī)的定時(shí)詢問指令，將巡檢到的支架運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)上傳至防爆計(jì)算機(jī)。

3.2.1 硬件設(shè)計(jì)

端頭控制器采用先進(jìn)的微處理器為控制核心，其總體結(jié)構(gòu)如圖3，主要由RS485通訊電路、控制電源單元、顯示電路等組成[2]。

圖3 總體結(jié)構(gòu)圖

3.2.2 實(shí)現(xiàn)功能

（1）集中手動(dòng)控制

集中手動(dòng)控制主要是在端頭控制器上集中控制液壓支架的各種動(dòng)作。端頭控制器發(fā)送指令，同時(shí)支架控制器會(huì)向端頭控制器回饋信息，若接到的返回信息不正確，則端頭控制器會(huì)重新發(fā)送一次命令，若連續(xù)兩次均接不到正確的返回信息，則進(jìn)行報(bào)警。

（2）控制權(quán)限切換功能

支架控制器可接收來自鄰架控制命令、集中手動(dòng)控制命令和集中控制追機(jī)拉架命令，這三個(gè)層面的控制不能同時(shí)進(jìn)行，為保證安全生產(chǎn)，需進(jìn)行可靠的切換，切換命令由端頭控制器發(fā)出。三個(gè)層面的控制手動(dòng)為最高優(yōu)先級(jí)，其他兩個(gè)層次的控制命令均由端頭控制器發(fā)出，優(yōu)先級(jí)相同。

3.3 順槽監(jiān)控系統(tǒng)

順槽監(jiān)控系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的第三層，其核心裝置是防爆計(jì)算機(jī)，它安裝在順槽設(shè)備列車中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和集中控制功能。

3.3.1 硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由工控機(jī)、供電系統(tǒng)及RS485、USB隔離電路等組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖4[3]。

圖4 防爆計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)圖

3.3.2 實(shí)現(xiàn)功能

（1）遠(yuǎn)程控制功能

遠(yuǎn)程控制功能是通過安裝在順槽設(shè)備列車中的防爆計(jì)算機(jī)給端頭控制器發(fā)送動(dòng)作指令，再通過端頭控制器給支架控制器發(fā)送指令，控制支架執(zhí)行各種動(dòng)作。

（2）遠(yuǎn)程巡檢功能

遠(yuǎn)程巡檢功能是防爆計(jì)算機(jī)每隔3 s向端頭控制器發(fā)送巡檢指令，通過端頭控制器返回的各種數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)支架運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

（3）遠(yuǎn)程與上級(jí)平臺(tái)的TCP/IP通訊功能

防爆計(jì)算機(jī)可通過TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通訊與地面調(diào)度中心進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，接收來自上一級(jí)平臺(tái)的命令，向地面調(diào)度中心傳送液壓支架的運(yùn)行數(shù)據(jù)[4]。

3.4 地面調(diào)度中心

地面調(diào)度中心是整個(gè)系統(tǒng)的最高層，其核心裝置是工業(yè)計(jì)算機(jī)，它安裝在地面調(diào)度中心，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)支架的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)能根據(jù)用戶的要求對(duì)井下工作面運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行智能化分析和故障診斷[5]。工業(yè)計(jì)算機(jī)可通過煤礦環(huán)網(wǎng)與防爆計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，接收井下現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，生成各類圖形及曲線，直觀地顯示井下的生產(chǎn)情況。

3.5 反沖過濾站狀態(tài)監(jiān)控

反沖過濾站用一個(gè)支架控制器完成工作狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，與其他支架控制器的通訊模式一樣，將數(shù)據(jù)發(fā)送給上一級(jí)，由順槽監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行分析，將分析結(jié)果再傳送到地面調(diào)度中心進(jìn)行顯示。

4 結(jié) 語

針對(duì)成莊礦15037工作面液壓支架需求，本文設(shè)計(jì)了電液控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)其四級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的原理和實(shí)現(xiàn)功能進(jìn)行闡述，最后以控制20臺(tái)支架為前提搭建了液壓支架控制試驗(yàn)臺(tái)來模擬控制系統(tǒng)的部分功能，操作簡(jiǎn)單，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。