液壓支架組智能控制系統(tǒng)的優(yōu)化研究

李 玉

（山西省煤炭建設(shè)監(jiān)理有限公司，山西 太原 030012）

引言

液壓支架是煤礦井下支護(hù)系統(tǒng)的核心，其工作的穩(wěn)定性和安全性直接決定了井下綜采作業(yè)的效率和經(jīng)濟(jì)性，隨著井下綜采作業(yè)自動(dòng)化程度地不斷提升，對(duì)綜采面采煤機(jī)、液壓支架聯(lián)動(dòng)運(yùn)行的要求也不斷提高，目前井下液壓支架組的控制方式極為簡(jiǎn)單，主要是通過人工判斷各液壓支架相對(duì)采煤機(jī)的位置，根據(jù)采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)逐個(gè)調(diào)節(jié)支架的支護(hù)狀態(tài)，但該控制邏輯的控制效率低下、一致性差，無法滿足智能化綜采面上精確、聯(lián)動(dòng)控制的需求，極大的影響了煤礦井下綜采作業(yè)效率和安全性。

結(jié)合采煤機(jī)、液壓支架的聯(lián)動(dòng)控制需求，本文提出了一種新的液壓支架組智能控制系統(tǒng)，以多傳感器監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各液壓支架支護(hù)狀態(tài)及采煤機(jī)相對(duì)位置的精確監(jiān)測(cè)，通過預(yù)設(shè)的控制邏輯對(duì)各支架的支護(hù)狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)和調(diào)整，從而有效避免了因人工調(diào)節(jié)不及時(shí)導(dǎo)致的采煤機(jī)和支架護(hù)幫板干涉、支護(hù)失穩(wěn)等異常，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明該支架組智能控制系統(tǒng)能夠顯著提升井下液壓支架組調(diào)整的穩(wěn)定性和精確性，為實(shí)現(xiàn)煤礦井下無人化綜采作業(yè)奠定了基礎(chǔ)。

1 液壓支架組智能控制系統(tǒng)

通過對(duì)液壓支架組控制需求的分析，結(jié)合采煤機(jī)、液壓支架的聯(lián)動(dòng)工作要求，本文所提出的煤礦井下液壓支架智能控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，具有整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、模塊化程度高、控制精確性好的優(yōu)點(diǎn)[1]。

由圖1 可知，該控制系統(tǒng)主要包括了地面控制中心和井下工作站，地面控制中心主要用于對(duì)井下各液壓支架的支護(hù)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)將異常信息顯示到控制中心，便于操作人員及時(shí)進(jìn)行控制調(diào)整，同時(shí)該控制中心還具備發(fā)出遠(yuǎn)程控制指令的能力，便于實(shí)現(xiàn)對(duì)井下各支架支護(hù)狀態(tài)的遠(yuǎn)程控制。

圖1 液壓支架組智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

井下工作站是該智能控制系統(tǒng)的核心，主要包括數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、支架控制器單元、傳感器監(jiān)測(cè)單元和電液換向閥執(zhí)行單元。傳感器監(jiān)測(cè)單元主要是各個(gè)液壓支架的支護(hù)姿態(tài)、支架和采煤機(jī)的相對(duì)位置進(jìn)行判斷，為系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合控制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息。

支架控制器單元主要用于收集各傳感器的數(shù)據(jù)信號(hào)，對(duì)所控制的液壓支架的支護(hù)狀態(tài)進(jìn)行判斷，同時(shí)接受來自地面控制中心的數(shù)據(jù)信息，將其轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)，傳遞給電壓換向閥執(zhí)行單元，通過改變電壓換向閥的閥芯狀態(tài)來調(diào)整各液壓支架的支護(hù)狀態(tài)。數(shù)據(jù)通信單元主要是RS485 通信總線[2]，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)通信量大、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，主要用于聯(lián)系各類傳感器和執(zhí)行單元，使其形成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，滿足聯(lián)合精確控制的需求。

2 支架控制器硬件構(gòu)成

由于井下地質(zhì)條件較為復(fù)雜，而且隨著采煤機(jī)綜采作業(yè)地進(jìn)行，液壓支架需要不斷地調(diào)整狀態(tài)來滿足支護(hù)安全性的需求，因此在支架控制器上需要集成對(duì)液壓支架支護(hù)狀態(tài)，相對(duì)于采煤機(jī)位置的檢測(cè)硬件控制模塊。

根據(jù)液壓支架工作時(shí)所應(yīng)執(zhí)行的動(dòng)作和檢測(cè)要求，在支架控制器上需要集成位移傳感器，用于對(duì)支架移動(dòng)距離進(jìn)行監(jiān)測(cè)。壓力傳感器，用于對(duì)支護(hù)壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，判斷支護(hù)可靠性。行程傳感器，用于對(duì)液壓支架的支護(hù)高度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。角度傳感器用于對(duì)護(hù)幫板收放狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。紅外接收器用于接收采煤機(jī)上發(fā)出的紅外信號(hào)，判斷支架和采煤機(jī)的相對(duì)位置。物料高度檢測(cè)傳感器主要用于充填液壓支架上監(jiān)測(cè)充填物料的狀態(tài)。同時(shí)還需要在支架控制器上預(yù)留各類標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)接口，滿足通信傳輸需求。通過在支架控制器上集成相關(guān)硬件控制器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)支架組支護(hù)狀態(tài)的集中控制，對(duì)提升支架組運(yùn)行一致性具有較好的作用。液壓支架控制器的硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示[3]。

圖2 支架控制器硬件結(jié)構(gòu)圖

3 液壓支架組智能控制流程

根據(jù)煤礦井下綜采作業(yè)工藝流程及該支架組智能控制邏輯，綜采作業(yè)過程中支架需要進(jìn)行升柱、降柱、推溜、噴霧、收放護(hù)幫板等動(dòng)作，采煤機(jī)和液壓支架配合綜采的流程如圖3 所示[4]。

圖3 支架與采煤機(jī)配合綜采流程圖

在綜采作業(yè)過程中，位于采煤機(jī)上的紅外線發(fā)射裝置不斷地發(fā)出紅外線信號(hào)，位于液壓支架上的紅外線接收器端子接收到紅外線信號(hào)后，根據(jù)與采煤機(jī)的夾角來判斷出其相對(duì)于采煤機(jī)的位置，然后將數(shù)據(jù)信息傳遞到智能控制系統(tǒng)內(nèi)，系統(tǒng)根據(jù)各個(gè)液壓支架反饋的數(shù)據(jù)信息，判斷出各支架接下來所應(yīng)執(zhí)行的動(dòng)作。然后系統(tǒng)集中發(fā)出支架調(diào)節(jié)信號(hào)，不同區(qū)域的支架分別進(jìn)行升柱、降柱、推溜、噴霧、收放護(hù)幫板等動(dòng)作，同時(shí)系統(tǒng)通過設(shè)置在支架上的間架控制器、端頭控制器等對(duì)支架執(zhí)行動(dòng)作的情況進(jìn)行檢測(cè)，并將結(jié)果反饋給智能控制中心，通過閉環(huán)調(diào)整的方式滿足支架組的聯(lián)動(dòng)控制要求，確保了井下液壓支架組合采煤機(jī)運(yùn)行的統(tǒng)一性，有效提升了井下綜采作業(yè)的效率和安全性。

4 井下應(yīng)用現(xiàn)狀分析

為了對(duì)該液壓支架智能控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析，本文對(duì)井下液壓支架智能控制系統(tǒng)應(yīng)用前后的情況進(jìn)行了對(duì)比，井下液壓支架上各類傳感器的布置結(jié)構(gòu)如圖4 所示，在運(yùn)行過程中其中一個(gè)液壓支架的支護(hù)參數(shù)變化情況如圖5 所示。

圖4 液壓支架上傳感器布置結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 液壓支架組支護(hù)參數(shù)變化示意圖

根據(jù)實(shí)際分析，采用了新的支架智能控制系統(tǒng)后，液壓支架能夠?qū)崿F(xiàn)采煤機(jī)的跟機(jī)自動(dòng)運(yùn)行，根據(jù)定位，精度達(dá)到了±0.15 m，確保了各個(gè)支架跟機(jī)運(yùn)行的精確性和可靠性，未出現(xiàn)因控制失效而導(dǎo)致的運(yùn)行故障，解決了人工跟進(jìn)移架效率低、安全性差的問題。同時(shí)對(duì)液壓支架組在跟機(jī)運(yùn)行過程中的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)該液壓支架完成跟機(jī)支護(hù)動(dòng)作后，其系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)支架的支護(hù)高度在1 699.3～1 701.8 mm 之間，各個(gè)支架頂梁支護(hù)的角度則均在-1.7°～0.85°之間，各個(gè)液壓支架支護(hù)過程中的推移控制曲線和預(yù)測(cè)值基本吻合，表現(xiàn)出了極高的跟蹤精度和準(zhǔn)確性，滿足了煤礦井下自主跟機(jī)控制的要求。實(shí)現(xiàn)井下綜采面直接減員3 人，液壓支架支護(hù)效率提升了2.1 倍，對(duì)提升井下綜采效率和安全性具有十分重要的意義。

5 結(jié)論

1）該控制系統(tǒng)主要包括地面控制中心和井下工作站，具有整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、模塊化程度高、控制精確性好的優(yōu)點(diǎn)；

2）通過在支架控制器上集成相關(guān)硬件控制器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)支架組支護(hù)狀態(tài)的集中控制，對(duì)提升支架組運(yùn)行一致性具有較好的作用；

3）該智能控制系統(tǒng)，過閉環(huán)調(diào)整的方式滿足支架組的聯(lián)動(dòng)控制要求，確保了井下液壓支架組和采煤機(jī)運(yùn)行的統(tǒng)一性，有效提升了井下綜采作業(yè)效率和安全性；

4）新的控制系統(tǒng)將井下綜采面直接減員3 人，液壓支架支護(hù)效率提升了2.1 倍，極大地提升了井下綜采效率和安全性。