ZFS3300型液壓支架控制系統(tǒng)的設計研究

王 岱

（晉能控股集團設計研究有限責任公司，山西 大同 037000）

1 概述

同煤集團塔山煤礦在建設智慧煤礦時，高精度、智能化的井下開采設備相繼投入使用，但設備的控制系統(tǒng)建設相對落后，不能完全滿足自動化智能化需求。目前投入使用的ZFS3300 型液壓支架工作環(huán)境復雜，操作人員無法直接在工作面上進行就地控制液壓支架的動作，且由于工藝需要，液壓支架在特定階段需要帶壓移位，而人工操作精度低，效率不高，無法保證液壓支架的動作安全有效。據(jù)此，決定對ZFS3300 型液壓支架進行自動化控制系統(tǒng)設計改造，以解決當前存在的問題。

2 液壓支架自動化控制系統(tǒng)功能要求

2.1 ZFS3300型液壓支架存在的問題

ZFS3300 型液壓支架采用就地控制方式，目前支架組移架時間無法匹配當前采煤機牽引速度，采煤連續(xù)性無法保障。在升液壓支架過程中，由于工作面煤層結(jié)構(gòu)復雜，人工調(diào)整液壓支架壓力存在冒頂風險。另外由于ZFS3300 型液壓支架無自動功能，在移架過程中出現(xiàn)特殊情況時無法自動停車，可能增大事故發(fā)生風險。

2.2 液壓支架的新功能要求

（1）液壓支架自動化控制功能

液壓支架需配合采煤機和運輸機同時使用。隨著采煤機的掘進前移，液壓支架也應隨著行進，液壓支架行進過程涉及到拉架、護幫等工序，人工操作不僅效率低，還容易出現(xiàn)安全事故。液壓支架的自動化移位控制功能顯得尤為必要。

（2）自動停車功能

液壓支架在支護過程中，尤其是在移架過程中，會碰到各種情況，液壓機的故障和綜采工作面的緊急情況，都可能導致支護事故的發(fā)生。這就需要液壓支架能準確判斷當前工況，在可能導致事故發(fā)生的情況下作出合理的停車措施。緊急停車功能需要設置為自動和手動兩種控制模式。緊急停車按鈕需要將液壓支架各類控制器進行集成，達到一鍵安全停車，停車動作需要液壓支架自動控制系統(tǒng)按照邏輯設定執(zhí)行。

3 液壓支架自動化控制系統(tǒng)方案

3.1 自動控制系統(tǒng)總方案

根據(jù)綜采工作面工況的不同，使用的液壓支架數(shù)量也是不同的，不同綜采階段液壓支架的支護動作也是不同的。自動控制系統(tǒng)要能夠?qū)λ惺褂玫囊簤褐Ъ苓M行集中控制，以達到各液壓支架相互配合的目標。在每一套液壓支架上增設功能控制器，控制器采用12V 直流電源供電，采用CAN 總線控制方式進行連接通訊，控制器還具有自檢功能，定時巡檢自身控制程序，保證控制穩(wěn)定。采用CAN 總線控制方式的優(yōu)點是能夠在某一液壓支架控制器出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)整體可以暫時屏蔽該控制器，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定有效。液壓支架電控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架見圖1。

圖1 液壓支架自動化控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架

3.2 硬件設計選型

液壓支架與采煤機配合動作功能的原理：采煤機特定位置裝配一套高精度紅外發(fā)射裝置，用于定位采煤機在工作面的位置，同時在液壓支架上裝配與其配套的紅外信號接收裝置，通過定位采煤機位置，配合液壓支架自動化功能，實現(xiàn)液壓支架自動移架與采煤機配合工作的功能。塔山煤礦采用FYF5 型紅外線發(fā)射器，與YS5 型紅外線接收儀。接收儀能將接收到的紅外信號轉(zhuǎn)換為電信號，并將其傳輸?shù)娇刂破髦?，完成位置信號采集，接受到位置信號的液壓支架控制器，根?jù)邏輯控制程序，發(fā)出液壓支架移架或保持信號。紅外裝置性能參數(shù)見表1。

圖2 FYF5 型紅外發(fā)射裝置（a）和YS5 紅外接收裝置（b）

表1 紅外裝置性能參數(shù)

3.3 通訊方案

液壓支架數(shù)量較多，傳輸?shù)娇偪刂破鞯男盘栃畔⑾鄬碗s，自動控制系統(tǒng)采用CAN 總線通訊方式實現(xiàn)信號傳輸，按照功能分，通訊信號主要包括三類：液壓支架壓力、支護高度、支護強度等“狀態(tài)信號”；上位機輸入信號以及處理器輸出信號等具有控制作用的“控制信號”；應對緊急情況發(fā)生時具有最高優(yōu)先級的“緊急信號”。同時系統(tǒng)設計了CAN離線報警程序，主要通過離線寄存器對系統(tǒng)設備信息進行周期掃描。若發(fā)現(xiàn)離線設備，并對該設備設置的離線確定時間后，判定為非正常離線，并進行報警。報警程序邏輯見圖3。

圖3 CAN 通訊方案中設備離線報警程序

4 測試效果分析

在投入井下應用前，塔山煤礦機電科針對ZFS3300 型液壓支架自動控制系統(tǒng)進行了功能性測試，首先在原有液壓支架控制系統(tǒng)中，增加自動控制組件，通過外部輸入不同模擬型號，液壓支架自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)對液壓支架的升降和移行等動作，同時監(jiān)控系統(tǒng)也能進行準確實時的狀態(tài)顯示。

測試組確定，降低二號液壓支架的立柱缸壓后，自動控制系統(tǒng)及時報警，且進行停車控制。對三號液壓支架進行人為強制離線后，系統(tǒng)在3 秒內(nèi)發(fā)出聲光報警，并在控制界面顯示出三號液壓支架離線信息。通過測試，針對塔山煤礦ZFS3300 型液壓支架設計的自動控制系統(tǒng)，功能有效，控制穩(wěn)定。該系統(tǒng)于2019年7月首次應用于2101 綜采工作面，經(jīng)過一年測試運行，證實功能性和穩(wěn)定性都滿足塔山煤礦液壓支架控制需求，應用現(xiàn)場照見圖4。

圖4 液壓支架自動化控制系統(tǒng)應用

5 結(jié)語

塔山煤礦為了實現(xiàn)ZFS3300 型液壓支架自動控制，通過設計改造，完成了一套集自動移架、緊急停車和離線報警的自動控制系統(tǒng)，經(jīng)過測試，系統(tǒng)的功能型和穩(wěn)定性滿足需求，同時能夠極大的解放人力。該自動控制系統(tǒng)的控制方式和精度與塔山煤礦智慧礦山的理念相統(tǒng)一，有很大的推廣價值。