礦用固體充填液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

賀 偉

（山西省高平市科興米山煤業(yè)有限公司，山西 高平 048400）

引言

近幾年，由于煤炭掘進(jìn)產(chǎn)量的不斷提高，煤炭掘進(jìn)廢棄物產(chǎn)量越來(lái)越多，隨意排放不僅污染煤礦周圍的環(huán)境、占用了較多的土地資源，而且過(guò)多廢棄物的開(kāi)采會(huì)使采煤沉陷嚴(yán)重破壞地表生態(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人居條件等[1-3]。固體充填掘進(jìn)工藝是一種綠色采煤技術(shù)，能夠有效解決煤炭開(kāi)采帶來(lái)的廢棄物堆積、地表塌陷等問(wèn)題[4]。固體充填液壓支架作為固體充填掘進(jìn)工藝實(shí)現(xiàn)的設(shè)備保障，其結(jié)構(gòu)組成中增加了充填支護(hù)部分，能夠確保煤礦工人與設(shè)備的安全[5]?？刂葡到y(tǒng)作為固體充填液壓支架的重要組成部分，是保證其安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵[6]。因此，針對(duì)某煤炭企業(yè)服役中的固體充填液壓支架自動(dòng)控制水平較低的現(xiàn)狀，開(kāi)展監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成、硬件和軟件部分的設(shè)計(jì)工作，驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的合理性和有效性具有重要的意義。

1 固體充填液壓支架構(gòu)成

固體充填液壓支架構(gòu)成示意如圖1 所示，涉及頂梁、立柱、尾座及千斤頂、刮板輸送機(jī)等結(jié)構(gòu)，由總體結(jié)構(gòu)可以看出，其中頂梁設(shè)計(jì)為整體式，支柱結(jié)構(gòu)為Y 形正四連桿，后梁位置設(shè)置了運(yùn)輸固體充填材料的刮板輸送機(jī)。填充效果好壞與回填物料的壓實(shí)程度息息相關(guān)，主要取決于液壓支架的推壓密實(shí)機(jī)構(gòu)，其主要結(jié)構(gòu)包括2 個(gè)推壓密實(shí)千斤頂、1 個(gè)調(diào)高千斤頂、推壓密實(shí)框架、推壓密實(shí)梁，將其布置在后置刮板輸送機(jī)尾部落料位置，及時(shí)對(duì)固體充填物料進(jìn)行推壓密實(shí)接頂。相較于目前使用的常規(guī)液壓支架，固體充填液壓支架新增了充填系統(tǒng)，達(dá)到了廢料的回填利用目的，實(shí)現(xiàn)了煤礦的綠色環(huán)保開(kāi)采。

圖1 固體充填液壓支架構(gòu)成示意圖

2 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)綜采工作面內(nèi)實(shí)際的支護(hù)情況，設(shè)計(jì)了監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。由圖2 可以看出監(jiān)控系統(tǒng)組成涉及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制等功能，遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)主要由電源、支架控制系統(tǒng)、井上控制部分和井下中央控制主機(jī)等部分構(gòu)成。監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)的作用是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦井內(nèi)部固體充填液壓支架的運(yùn)行狀態(tài)，存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)信息，為設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)提供設(shè)備運(yùn)行趨勢(shì)數(shù)據(jù)信息。中央控制器用于控制固體充填液壓支架的位姿狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)井下固體充填液壓支架的遠(yuǎn)程控制。該監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，達(dá)到了井下固體充填液壓支架運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程控制功能相結(jié)合的目的，對(duì)于提高井下固體充填液壓支架運(yùn)行的安全性和可靠性意義重大。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1 可編程邏輯控制器

可編程邏輯控制器又稱為PLC，其具有控制功能強(qiáng)大、性能可靠、技術(shù)應(yīng)用較為成熟的特點(diǎn)?？紤]煤礦井下固體充填液壓支架的使用環(huán)境，選擇德國(guó)西門(mén)子S7-200 的PLC，體積小、功能全、編程技術(shù)成熟，足以滿足固體充填液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)的要求。PLC 配置如下：32 位數(shù)字量輸入接口，19 位數(shù)字量輸出接口，7 通道的模擬量輸入接口。結(jié)合實(shí)際的固體充填液壓支架控制需求，確定選擇1 個(gè)EM223 模塊作為數(shù)字量接口擴(kuò)展時(shí)使用，選擇2 個(gè)EM231 模塊作為模擬量接口擴(kuò)展時(shí)使用。可編程邏輯控制器使用的是CPU226，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析處理能力，滿足監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

3.1.2 傳感器

采煤工作面內(nèi)固體充填液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)中涉及的傳感器包括行程傳感器、落料高度檢測(cè)傳感器、傾角傳感器、壓力傳感器等。行程傳感器選擇型號(hào)為GUC2440 的本安型傳感器，具有很好的環(huán)境適應(yīng)性，能夠可靠監(jiān)測(cè)推壓密實(shí)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行情況；落料高度檢測(cè)傳感器選擇型號(hào)為GUC8 本安型超聲波物位傳感器，用于檢測(cè)落料的實(shí)際高度；傾角傳感器GUD90B 礦用傳感器，用于檢測(cè)推壓密實(shí)機(jī)構(gòu)的傾斜角度；壓力傳感器型號(hào)為GPD60 礦用壓力傳感器，用于檢測(cè)推壓密實(shí)機(jī)構(gòu)的壓力。

3.1.3 控制面板

固體充填液壓支架的控制面板需要工作在井下復(fù)雜的環(huán)境中，首先需要考慮的就是控制箱材料的防護(hù)等級(jí)、殼體體積、控制面板的功能等。

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)控制面板的設(shè)計(jì)需要，選擇殼體的防護(hù)等級(jí)為IP68，面板界面如圖3 所示，具體的按鈕功能如下：A 表示開(kāi)啟落料孔、B 表示關(guān)閉落料孔、C 表示推壓機(jī)構(gòu)伸出、D 表示推壓機(jī)構(gòu)縮回、E 表示擺梁收回、F 表示擺梁伸出、G 表示上翻、H 表示下翻、I 表示左單選、J 表示右單選、K 表示左成組選、L 表示右成組選。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)控制面板

3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1 聯(lián)動(dòng)控制程序

單臺(tái)固體充填液壓支架聯(lián)動(dòng)控制程序工作流程如圖4 所示，系統(tǒng)接收充填指令之后傳輸至液壓支架控制器，啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、延時(shí)保護(hù)，關(guān)閉報(bào)警之后啟動(dòng)卸料孔卸料，卸料高度由物料傳感器檢測(cè)，達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)關(guān)掉卸料孔。啟動(dòng)推壓密實(shí)機(jī)構(gòu)，包括推壓機(jī)構(gòu)前伸，根據(jù)實(shí)時(shí)采集得到的行程數(shù)據(jù)和壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)推壓密實(shí)機(jī)構(gòu)接觸填料時(shí)，收縮擺梁并獲取傾角數(shù)據(jù)。當(dāng)推壓密實(shí)機(jī)構(gòu)的行程和傾角達(dá)到預(yù)設(shè)數(shù)值時(shí)，收回推壓密實(shí)機(jī)構(gòu)直至回到初始位置為止。

圖4 液壓支架聯(lián)動(dòng)控制流程

3.2.2 液壓支架充填程序

固體充填過(guò)程需要多臺(tái)液壓支架共同完成，以充填輸送機(jī)尾至輸送機(jī)頭的順序?yàn)槔f(shuō)明液壓支架充填過(guò)程，具體如下：

1）第一個(gè)液壓支架打開(kāi)卸料孔進(jìn)行物料投放，與此同時(shí)，開(kāi)啟第二個(gè)液壓支架的落料孔；

2）當(dāng)?shù)谝粋€(gè)卸料孔的落料高度與預(yù)設(shè)值相等時(shí)，關(guān)閉卸料孔并開(kāi)啟第三個(gè)卸料孔；

3）在對(duì)第一個(gè)液壓支架充填物進(jìn)行壓實(shí)的同時(shí)對(duì)后兩個(gè)液壓支架進(jìn)行卸料，第一個(gè)液壓支架壓實(shí)后再次進(jìn)行卸料，同時(shí)關(guān)閉第二個(gè)卸料孔，對(duì)其進(jìn)行壓實(shí)；

4）當(dāng)?shù)谝粋€(gè)液壓支架填充完畢后，關(guān)閉卸料孔進(jìn)行推壓密實(shí)，之后開(kāi)啟第二個(gè)液壓支架的卸料孔卸料并推壓密實(shí)；

5）當(dāng)前兩個(gè)液壓支架充填完畢之后對(duì)第三、第四、第五進(jìn)行同樣的操作，以此類推直至完成整個(gè)工作面的充填工作。

3.2.3 移架控制程序

固體充填液壓支架因其增加了充填系統(tǒng)，移架時(shí)需要注意液壓支架尾部的充填系統(tǒng)狀態(tài)，移架的前提是充填完畢，推壓密實(shí)機(jī)構(gòu)位于初始位置。以液壓支架升柱過(guò)程為例進(jìn)行說(shuō)明，監(jiān)控系統(tǒng)的控制器為PLC，能夠不斷讀取控制指令，當(dāng)收到升柱指令時(shí)，需進(jìn)行報(bào)警提醒，延時(shí)5 s 之后執(zhí)行升柱動(dòng)作；升柱油缸上伸，監(jiān)測(cè)液壓缸的行程和壓力，當(dāng)行程與壓力達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，升柱完成。具體升柱流程如圖5 所示。

圖5 移架控制程序

3.3 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

人機(jī)交互界面作為固體充填液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，其重要作用是為監(jiān)控人員實(shí)時(shí)顯示井下固體充填液壓支架的運(yùn)行狀態(tài)。監(jiān)控系統(tǒng)主界面如圖6 所示，包括作業(yè)流程、運(yùn)行參數(shù)、日期、歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警記錄、系統(tǒng)控制等功能，其中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等支持查看數(shù)據(jù)信息，退出系統(tǒng)可以直接退出組態(tài)軟件，報(bào)警記錄能夠?qū)崟r(shí)顯示故障出現(xiàn)的位置及可產(chǎn)生的原因，達(dá)到固體充填液壓支架的集中控制與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的目的。

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)主界面

4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

依據(jù)固體充填液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完成了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與搭建工作，為了驗(yàn)證監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可行性，將其應(yīng)用于某煤礦服役中的固體充填液壓支架中進(jìn)行試運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了井下固體充填液壓支架遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。與之前的充填開(kāi)采效率相比，自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，大大提高了煤炭充填采掘的效率。統(tǒng)計(jì)充填工作面運(yùn)行時(shí)的推移距離變化情況，如圖7 所示。由圖7 可以看出，11 月5日—21 日開(kāi)始應(yīng)用監(jiān)控系統(tǒng)之后推進(jìn)距離迅速提升，充填采煤效率得到了提升，單日推進(jìn)距離高達(dá)140 m，效率提升近50%，取得了很好的應(yīng)用效果。

圖7 充填工作面推進(jìn)距離情況

5 結(jié)語(yǔ)

固體充填液壓支架作為煤炭綠色掘進(jìn)的重要保障，其控制系統(tǒng)的技術(shù)水平要求較高。針對(duì)某煤炭企業(yè)服役中的固體充填液壓支架自動(dòng)控制水平較低的現(xiàn)狀，開(kāi)展了監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。應(yīng)用結(jié)果表明，監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了井下固體充填液壓支架遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。與之前的充填開(kāi)采效率相比，自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，提高了煤炭充填采掘的效率，單日推進(jìn)距離高達(dá)140 m，效率提升近50%，驗(yàn)證了監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和有效性。