煤礦液壓支架自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用

趙博文

（河南龍宇能源股份有限公司，河南商丘 476600）

0 引言

隨著市場經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，技術(shù)成為帶動(dòng)行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要因素。傳統(tǒng)的煤礦生產(chǎn)中，自動(dòng)化程度相對較低，人工生產(chǎn)效率低下且生產(chǎn)的安全性難以得到保障。技術(shù)的進(jìn)步使得煤礦行業(yè)逐步突破了傳統(tǒng)的技術(shù)限制，機(jī)械化作業(yè)成為煤礦生產(chǎn)的主要方式，各種新型機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用提升了煤礦企業(yè)的生產(chǎn)水平。而自動(dòng)化技術(shù)與機(jī)械作業(yè)的結(jié)合有效實(shí)現(xiàn)了采煤自動(dòng)化，液壓支架自動(dòng)化系統(tǒng)作為整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，在很多煤礦企業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，未來還將具有廣闊的發(fā)展空間。

1 液壓支架自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用意義

1.1 提高開采效率，改善工作條件

在煤礦的生產(chǎn)過程中，引入液壓支架自動(dòng)化系統(tǒng)能用機(jī)械生產(chǎn)取代傳統(tǒng)的人工勞動(dòng)，大大降低采煤作業(yè)人員的工作強(qiáng)度和投入。自動(dòng)化系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，能夠在采煤作業(yè)過程中自動(dòng)鏈接其他生產(chǎn)工序與機(jī)械設(shè)備，達(dá)到多個(gè)液壓支架的協(xié)同控制，大大提高開采的效率，為采煤作業(yè)人員創(chuàng)造相對安全的工作環(huán)境[1]。

1.2 強(qiáng)化開采面的支護(hù)條件，提高安全系數(shù)

液壓支架自動(dòng)化系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對采煤作業(yè)面的實(shí)時(shí)監(jiān)測，這樣相關(guān)人員能根據(jù)監(jiān)測結(jié)果來詳細(xì)掌握作業(yè)面頂板壓力的變化情況。同時(shí)，它還能夠自動(dòng)進(jìn)行這些監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析與處理，當(dāng)相關(guān)數(shù)據(jù)處于異常變動(dòng)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)可以直接進(jìn)行支護(hù)作用力的調(diào)整，達(dá)到自動(dòng)控制的目的，最大限度預(yù)防頂板事故。此外，液壓支架自動(dòng)化系統(tǒng)的自動(dòng)化程度較高，能夠突破時(shí)間、地域的限制，達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的，避免粉塵等不利因素對系統(tǒng)可靠性的干擾，提高生產(chǎn)的安全性。

1.3 提升煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益

傳統(tǒng)的煤礦生產(chǎn)作業(yè)多數(shù)是由人工來完成的，有人員密集的特點(diǎn)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，尤其是自動(dòng)化、智能化技術(shù)的應(yīng)用，無人化采煤將是當(dāng)前及未來發(fā)展的重點(diǎn)方向。液壓支架自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的人工作業(yè)方式，減少了采煤作業(yè)中的人力投入，尤其是煤礦企業(yè)的人工費(fèi)用大大降低，對于提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。此外，液壓支架自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用避免了人為操作的隨意性，減少了煤礦機(jī)械設(shè)備不必要的磨損，節(jié)約了設(shè)備維護(hù)費(fèi)用，同樣可以提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

1.4 提升煤礦企業(yè)的社會(huì)效益

液壓支架自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用，使得生產(chǎn)系統(tǒng)具有操作簡單、可靠性高、安全系數(shù)高的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了多種先進(jìn)技術(shù)的融合，保障了采煤作業(yè)的安全性，減少了煤礦作業(yè)中各類安全事故的發(fā)生，有助于煤礦企業(yè)社會(huì)效益的實(shí)現(xiàn)。

2 液壓支架自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成

從當(dāng)前煤礦企業(yè)液壓支架的總體構(gòu)成來看，自動(dòng)化系統(tǒng)主要包含了主機(jī)、支架控制器、CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)絡(luò)）總線網(wǎng)絡(luò)。在系統(tǒng)運(yùn)行中，支架控制器配置有傳感器，該傳感器可以隨時(shí)監(jiān)測和感應(yīng)系統(tǒng)中液壓支架的工作狀態(tài)。而CAN 總線網(wǎng)絡(luò)的存在能夠傳輸系統(tǒng)運(yùn)行中的指令與信息，當(dāng)這些指令與信息傳輸?shù)街鳈C(jī)以后，自動(dòng)化控制得以實(shí)現(xiàn)。

液壓支架自動(dòng)化系統(tǒng)的構(gòu)成較為復(fù)雜，支架控制器、人機(jī)操作界面、傳感器等都是其重要組成部分。在液壓支架自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，各個(gè)不同部分承擔(dān)著不同的任務(wù)，通過各個(gè)部分的緊密配合與協(xié)調(diào)，有效保障了系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，使得液壓支架的運(yùn)行、輸送機(jī)的前后推動(dòng)等更為科學(xué)。

（1）支架控制器。支架控制器是液壓支架自動(dòng)化系統(tǒng)的核心構(gòu)件，它在系統(tǒng)運(yùn)行中相當(dāng)于一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)，能夠控制軟件完成各類指令的接收、執(zhí)行、操作等，實(shí)現(xiàn)液壓支架良好的控制作用。

（2）人機(jī)操作界面。人機(jī)操作界面主要是為后臺(tái)人員的操作與管理提供便捷。作為顯示、接收操作者指令的工作界面，人機(jī)操作界面上能夠顯示參數(shù)、故障信息、狀態(tài)信號等，操作者獲得這些信息以后，能夠根據(jù)系統(tǒng)需求進(jìn)行參數(shù)的修改與調(diào)整[2]。

（3）傳感器。在液壓支架自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)有多種類型傳感器，它們的作用與人體的神經(jīng)系統(tǒng)相類似，分布在液壓支架的不同位置，用來監(jiān)測生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行中各個(gè)參數(shù)。在煤礦自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)，傳感器主要有壓力、位置、行程等傳感器，它們將感應(yīng)到的信息傳輸給支架控制器，而支架控制器在獲得這些信息以后進(jìn)行相應(yīng)的分析與處理，為液壓支架自動(dòng)化系統(tǒng)的控制提供可靠的依據(jù)[3]。

（4）電液閥組。電液控制系統(tǒng)是液壓支架自動(dòng)化系統(tǒng)最重要的體現(xiàn)，電液閥組是液壓支架自動(dòng)化控制系統(tǒng)的重要構(gòu)成，每一套電液閥組都包含液控?fù)Q向閥、電磁先導(dǎo)閥：遵循電磁感應(yīng)原理，系統(tǒng)運(yùn)行過程中電磁吸力推動(dòng)電磁先導(dǎo)閥的運(yùn)行，電磁先導(dǎo)閥可以呈現(xiàn)出各種的控制動(dòng)作，進(jìn)而達(dá)到對液壓支架系統(tǒng)的控制作用（圖1）。

（5）電源箱。電源箱能夠?qū)崿F(xiàn)電源電壓的轉(zhuǎn)變，保障電壓能夠有效輸出給支架控制器。為了保障液壓支架自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與安全性，所采用的電源箱多為防爆型電源箱。

（6）隔離耦合器。在液壓支架自動(dòng)化系統(tǒng)中，隔離耦合器使得相鄰支架控制器之間達(dá)到電氣隔離，有重要作用。通常情況下，為保障系統(tǒng)的安全運(yùn)行，隔離耦合器與被隔離支架控制器之間要盡量避開同一電源[4]。在隔離耦合器內(nèi)部，為實(shí)現(xiàn)雙向通信的功能，需要設(shè)置相應(yīng)的光電耦合器。

（7）網(wǎng)絡(luò)變換器。網(wǎng)絡(luò)變換器是為了收集與監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行中的各種數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)的監(jiān)控情況，對自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行檢查。比如，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的傳輸情況、支架控制單元與傳感器設(shè)備運(yùn)行情況等的檢查。

（8）監(jiān)控主機(jī)。在煤礦作業(yè)中，監(jiān)控主機(jī)一般安裝于運(yùn)輸巷控制中心，能夠統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)，用數(shù)據(jù)管理來實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)的控制。

（9）乳化液。液壓支架對乳化液的依賴性較大，只有規(guī)范使用乳化液，才能夠最大限度保障液壓支架的支撐效果，達(dá)到安全生產(chǎn)的目的。

圖1 液壓支架電液控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

3 液壓支架自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 自動(dòng)化控制

煤礦液壓支架自動(dòng)化系統(tǒng)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在自動(dòng)化控制方面。在煤礦開采作業(yè)中，各種機(jī)械設(shè)備可能存在諸多的不確定性，人工往往難以對其進(jìn)行控制，而自動(dòng)化控制系統(tǒng)則能夠?qū)崿F(xiàn)對各類設(shè)備的可靠控制，保障正常的采煤作業(yè)。

液壓支架自動(dòng)化控制系統(tǒng)內(nèi)的傳感裝置、壓力控制裝置、行程傳感裝置等都屬于自動(dòng)化、智能化控制模塊，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中這些裝置雖然有一定的獨(dú)立性，但也存在著緊密的聯(lián)系[5]。以壓力控制為例，在設(shè)備內(nèi)設(shè)置一個(gè)壓力感應(yīng)器，并將其與整個(gè)控制中樞相聯(lián)系。由于采煤作業(yè)中工況不斷變化，壓力很難保持穩(wěn)定的狀態(tài)，不過正常生產(chǎn)作業(yè)下此壓力變化將處于安全區(qū)域內(nèi)。隨著采煤作業(yè)的進(jìn)行，當(dāng)壓力超出了安全范圍以后，壓力感應(yīng)器會(huì)提前感應(yīng)到這種情況，進(jìn)而將有關(guān)的異常情況反饋給控制中樞，智能中樞系統(tǒng)則根據(jù)異常情況進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)與警報(bào)，最大限度避免由于壓力過高或過低而引發(fā)的安全事故[6]。

3.2 選擇合適的設(shè)備和運(yùn)行參數(shù)

由于煤礦生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境的特殊性，應(yīng)用液壓支架自動(dòng)化系統(tǒng)時(shí)應(yīng)結(jié)合作業(yè)環(huán)境等因素來加以設(shè)計(jì)。當(dāng)前，液壓支架自動(dòng)化控制系統(tǒng)的種類較多，不同的類型在環(huán)境適應(yīng)性方面也有所差異，如露天與井下煤礦的壓力敏感性不同等。液壓支架自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠使煤礦企業(yè)根據(jù)生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境、系統(tǒng)運(yùn)行需求等來選擇設(shè)備、合理設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)。比如：煤層開采方向?yàn)殇J角的，可以選擇一般的液壓支架；如果開采方向?yàn)殁g角，則選用大傾角液壓支架。采煤作業(yè)中，所選用的各類設(shè)備相對較多，只有保障設(shè)備參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性，才能最大限度保證設(shè)備的可靠運(yùn)行。相關(guān)人員需結(jié)合工況條件來設(shè)置設(shè)備參數(shù)，例如薄煤層開采中，液壓壓力一般小于中厚煤層。在自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行中，系統(tǒng)可以根據(jù)礦井工況來進(jìn)行相關(guān)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整，保持相關(guān)設(shè)備最佳的運(yùn)行狀態(tài)。

3.3 加強(qiáng)綜采設(shè)備的控制

在運(yùn)行中，液壓支架自動(dòng)化控制系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的設(shè)置能夠大大提升其工作性能，而自動(dòng)化系統(tǒng)中各個(gè)子系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定則能提升系統(tǒng)的自動(dòng)化控制能力。在煤礦采煤作業(yè)中，開采與運(yùn)輸往往是同步進(jìn)行的，而割煤與運(yùn)輸?shù)囊惑w化主要是由綜采設(shè)備來完成的，液壓支架作為重要的綜采設(shè)備，自動(dòng)化系統(tǒng)能夠提升綜采設(shè)備的自動(dòng)化、智能化控制水平，保持相關(guān)設(shè)備的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，進(jìn)而保障采煤的效率與質(zhì)量。

4 結(jié)束語

近年來，各個(gè)煤礦企業(yè)逐步實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)型發(fā)展，為促進(jìn)采煤作業(yè)的現(xiàn)代化，煤礦企業(yè)需要加強(qiáng)液壓支架自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用，發(fā)揮其在頂板支撐與管理方面的作用，進(jìn)一步提高采煤的安全性。