煤礦井下液壓支架組智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

魏佳鵬

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)精通興旺煤業(yè)有限公司,山西 大同 037000）

引言

液壓支架是煤礦井下支護(hù)作業(yè)的核心，其工作的穩(wěn)定性和可靠性直接決定了井下綜采作業(yè)的安全性，隨著井下綜采自動(dòng)化程度地不斷提高，目前綜采面的巷道支護(hù)一般均采用液壓支架組進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，支架組沿著綜采面支護(hù)，隨著采煤機(jī)綜采作業(yè)地進(jìn)行，不斷地調(diào)整支護(hù)形態(tài)，滿足井下支護(hù)安全性的需求。由于煤礦井下綜采面的地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此傳統(tǒng)的控制方案中對支架組支護(hù)形態(tài)的調(diào)整是通過半自動(dòng)的方式進(jìn)行，由人工判斷支架和采煤機(jī)的相對位置關(guān)系，然后提供調(diào)整信號(hào)，該方案的調(diào)控精度低，支架組也無法和采煤機(jī)進(jìn)行聯(lián)合運(yùn)行，因此難以滿足井下綜采作業(yè)安全性的需求。

結(jié)合采煤機(jī)和液壓支架的聯(lián)動(dòng)運(yùn)行需求，本文提出了一種新的煤礦井下液壓支架組智能控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)采用雙RS485 通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對煤礦井下液壓支架組的聯(lián)動(dòng)控制，通過雙CPU 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對液壓支架組支護(hù)狀態(tài)的自動(dòng)判斷和調(diào)整，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明，該新的支架組智能控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對井下液壓支架的聯(lián)合集中控制，將井下液壓支架片幫事故降低96.4%，將綜采作業(yè)效率提升4.6%，為實(shí)現(xiàn)井下無人化的綜采作業(yè)奠定了基礎(chǔ)。

1 支架組智能控制系統(tǒng)

根據(jù)煤礦井下特殊使用環(huán)境、采煤機(jī)和液壓支架的綜采工藝流程，本文所提出的新的支架組智能控制系統(tǒng)主要包括間架控制器、紅外線定位裝置、支架的端頭控制器以及井下防爆計(jì)算機(jī)等，具有結(jié)構(gòu)緊湊、模塊化程度高、可靠性好的優(yōu)點(diǎn)，該支架組智能控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示[1]。

由圖1 可知，在該控制系統(tǒng)中，間架控制器是控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，主要是獲取支架支撐油缸內(nèi)的壓力信號(hào)、支撐油缸的位移信號(hào)以及紅外線定位信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對液壓支架支護(hù)狀態(tài)以及采煤機(jī)、液壓支架相對位置的判斷。該智能控制系統(tǒng)的端頭控制器用于接收間架控制器的信息，然后對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分類處理，將數(shù)據(jù)信息傳遞給防爆控制中心，實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)和液壓支架相對運(yùn)行狀態(tài)的直接監(jiān)測。

圖1 液壓支架組智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由于井下液壓支架數(shù)量多，在同一時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)信息傳輸量大，經(jīng)常造成數(shù)據(jù)阻塞，影響系統(tǒng)調(diào)節(jié)的靈敏性和反應(yīng)速度，因此本文提出了采用雙RS485通信總線進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳遞的模式，一組數(shù)據(jù)線用于對液壓支架組內(nèi)各支架的運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行采集并將其傳輸?shù)娇刂浦行膬?nèi)，另一組數(shù)據(jù)線則用于對支架組運(yùn)行狀態(tài)的聯(lián)合控制，將控制中心發(fā)出的控制信號(hào)傳遞到各個(gè)間架控制器，并控制對應(yīng)液壓支架的動(dòng)作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息的專線專用，有效提升了數(shù)據(jù)信息傳遞速度和抗干擾能力。

2 端頭控制器結(jié)構(gòu)

端頭控制器是該智能控制系統(tǒng)的“心臟”，主要用于接收間架控制器的信息，然后對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分類處理，將數(shù)據(jù)信息傳遞給防爆控制中心，同時(shí)系統(tǒng)還需要能夠?qū)Ω鱾€(gè)支架組件進(jìn)行及時(shí)調(diào)整控制，因此對數(shù)據(jù)運(yùn)算速度和精確性要求很高，因此單CPU 控制方案難以滿足數(shù)據(jù)運(yùn)算的實(shí)時(shí)性需求，因此本文提出了新的雙CPU 控制系統(tǒng)[2]，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下頁圖2 所示[3]。

圖2 雙CPU 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖2 可知，該系統(tǒng)包括一個(gè)巡檢CPU 和一個(gè)主控CPU，巡檢CPU 主要用于對整個(gè)綜采面支架組的工作參數(shù)進(jìn)行收集并傳遞到防爆計(jì)算機(jī)內(nèi)，主控CPU 主要是從控制中心內(nèi)獲取集控中心發(fā)出的控制指令，同時(shí)根據(jù)巡檢CPU 的控制信息對液壓支架的支護(hù)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)控。在兩個(gè)CPU 之間采用了高速SPI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的交互，有效提升了數(shù)據(jù)處理的速度和精確性，確保了智能控制系統(tǒng)的靈敏性。

3 液壓支架智能控制方案

為了滿足液壓支架的跟機(jī)自動(dòng)控制，因此結(jié)合井下綜采作業(yè)的實(shí)際情況，提出了支架跟機(jī)自動(dòng)控制方案，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示[4]。

圖3 液壓支架跟機(jī)自動(dòng)控制方案

為了保證采煤機(jī)和液壓支架運(yùn)行的精確性，在液壓支架上設(shè)置了紅外線發(fā)射裝置和紅外線接收裝置，系統(tǒng)根據(jù)液壓支架接收到的紅外線信號(hào)來判斷支架和采煤機(jī)的相對位置關(guān)系，然后將相對位置傳遞到控制中心。當(dāng)采煤機(jī)在進(jìn)行割煤時(shí)，在采煤機(jī)機(jī)身范圍內(nèi)的液壓支架進(jìn)行噴霧降塵作業(yè)，降低在綜采作業(yè)過程中的粉塵量，在采煤機(jī)后側(cè)第8 個(gè)液壓支架開始進(jìn)行移架，從采煤機(jī)后側(cè)第12 個(gè)支架則開始進(jìn)行推移作業(yè)。通過精確定位各液壓支架和采煤機(jī)的相對位置距離，快速計(jì)算出各個(gè)支架所應(yīng)進(jìn)行的動(dòng)作，然后控制支架進(jìn)行收放護(hù)幫板、移架等作業(yè)。

在采煤機(jī)前側(cè)的支架，需要根據(jù)采煤機(jī)之間的距離進(jìn)行收放護(hù)幫板作業(yè)，為了提高控制效果和精確性，對液壓支架收放護(hù)幫板的動(dòng)作順序進(jìn)行優(yōu)化。在伸出第一級的護(hù)幫板時(shí)，對二級護(hù)幫板收的動(dòng)作進(jìn)行復(fù)合，保持二級護(hù)幫板處于半自由狀態(tài)，使其適應(yīng)煤壁的形態(tài)。當(dāng)完成第一級護(hù)幫板的伸出后，再執(zhí)行伸出二級護(hù)幫板的動(dòng)作，確保二級護(hù)幫板能夠起到支護(hù)作用。當(dāng)收護(hù)幫板的時(shí)候則先收回二級護(hù)幫板，然后再收起一級護(hù)幫板，優(yōu)化后能夠顯著地降低護(hù)幫板千斤頂?shù)哪p，同時(shí)也避免了二級護(hù)幫板動(dòng)作不協(xié)調(diào)導(dǎo)致的插入煤壁異常。

4 液壓支架智能控制應(yīng)用

該液壓支架組智能控制系統(tǒng)建立后，在精通興旺煤業(yè)8107 綜采面對優(yōu)化前后的綜采狀態(tài)進(jìn)行對比，該煤層平均傾角為11°，巷道斷面為矩形，巷道毛寬為5 400 mm、毛高為4 100 mm，優(yōu)化后綜采作業(yè)過程中液壓支架的片幫事故由最初的34.6 次/月，降低到了目前的1.25 次/月，事故率降低了96.4%，同時(shí)由于實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的支架調(diào)整，將采煤機(jī)的綜采作業(yè)效率提升了4.6%，為實(shí)現(xiàn)井下無人化的綜采作業(yè)奠定了基礎(chǔ)，具有極大的應(yīng)用推廣價(jià)值，該液壓支架組智能控制終端結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 液壓支架組智能控制終端示意圖

5 結(jié)論

針對目前液壓支架組控制協(xié)同能力差、調(diào)控精度低，無法實(shí)現(xiàn)跟機(jī)自主調(diào)節(jié)的現(xiàn)狀，提出了一種新的煤礦井下液壓支架組智能控制系統(tǒng)，對該控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和應(yīng)用情況進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：

1）支架組智能控制系統(tǒng)主要包括間架控制器、紅外線定位裝置、支架的端頭控制器以及井下防爆計(jì)算機(jī)等，具有結(jié)構(gòu)緊湊、模塊化程度高、可靠性好的優(yōu)點(diǎn)；

2）雙CPU 控制系統(tǒng)有效提升了數(shù)據(jù)處理的速度和精確性，確保了智能控制系統(tǒng)的控制靈敏性；

3）新的支架組智能控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對井下液壓支架的聯(lián)合集中控制，將井下液壓支架片幫事故降低96.4%，將綜采作業(yè)效率提升4.6%，為實(shí)現(xiàn)井下無人化的綜采作業(yè)奠定了基礎(chǔ)。