液壓支架工作面自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

張曉娟，李鵬飛

（1.晉能控股煤業(yè)集團(tuán)虎龍溝煤業(yè)有限公司，山西 朔州 038300；2.晉能控股煤業(yè)集團(tuán)馬脊梁礦，山西 大同 037001）

引言

煤炭是重要的能源形式，對(duì)工業(yè)及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要的支撐作用，煤礦產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)效率的持續(xù)提升是煤礦生產(chǎn)的重點(diǎn)研究對(duì)象。在煤礦的開(kāi)采過(guò)程中，液壓支架是廣泛使用的支撐設(shè)備，對(duì)工作面的支護(hù)及推進(jìn)具有重要的作用，液壓支架與采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)等進(jìn)行協(xié)同作業(yè)進(jìn)行煤炭的開(kāi)采[1]。液壓支架的自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)采煤作業(yè)的自動(dòng)化及煤礦智能化開(kāi)采的關(guān)鍵步驟。

液壓支架在工作過(guò)程中，需要自身獨(dú)立控制及與其他設(shè)備之間的協(xié)同控制，液壓支架的自動(dòng)化控制主要針對(duì)電液系統(tǒng)進(jìn)行控制[2]。從相鄰設(shè)備的控制向自動(dòng)化集中控制的方式發(fā)展，是實(shí)現(xiàn)工作面自動(dòng)化控制的主要方式。

1 液壓支架自動(dòng)化控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

針對(duì)液壓支架進(jìn)行電液系統(tǒng)的控制，是實(shí)現(xiàn)液壓支架工作面自動(dòng)化控制的最佳方式，考慮煤礦的智能化發(fā)展，對(duì)液壓支架的自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)如圖1 所示。液壓支架自動(dòng)化控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包含四個(gè)級(jí)別[3]，分別為地面的監(jiān)測(cè)層、井下防爆計(jì)算機(jī)的監(jiān)控層、液壓支架端頭控制器的監(jiān)控層及液壓支架控制器的監(jiān)控層。

圖1 液壓支架自動(dòng)化控制系統(tǒng)整體方案架構(gòu)

液壓支架的控制器與液壓系統(tǒng)的先導(dǎo)閥及液壓支架傳感器相連，直接對(duì)液壓支架的動(dòng)作進(jìn)行控制并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，顯示并輸出液壓支架的狀態(tài)參數(shù)。端頭控制器是液壓支架自動(dòng)化控制系統(tǒng)的重要組成，是進(jìn)行系統(tǒng)信息傳輸?shù)年P(guān)鍵單元[4]。其作為井下監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的中間組成，進(jìn)行信息的傳輸及采集，并可對(duì)液壓支架控制器進(jìn)行遠(yuǎn)程的指令下發(fā)及狀態(tài)查詢，并可響應(yīng)防爆計(jì)算機(jī)的指令，執(zhí)行相應(yīng)的功能。井下的防爆計(jì)算機(jī)為系統(tǒng)井下部分的最高監(jiān)控層，具有豐富的人機(jī)交互界面，可通過(guò)端頭控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架的遠(yuǎn)程控制，并查詢現(xiàn)場(chǎng)的參數(shù)信息。地面的監(jiān)控層僅具有遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，而不能對(duì)井下的液壓支架進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，這是為了保證井下設(shè)備的安全[5]，避免出現(xiàn)地面層的指揮錯(cuò)誤，地面層的數(shù)據(jù)通過(guò)地面交換機(jī)及井下的防爆光纖交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸及信息的交換。

2 液壓支架自動(dòng)化控制系統(tǒng)關(guān)鍵功能的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 控制系統(tǒng)端頭控制器通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

由于液壓支架井下綜采工作面的環(huán)境惡劣，具有較強(qiáng)的電磁干擾，對(duì)控制系統(tǒng)的通信要求具有良好的實(shí)時(shí)性及抗干擾性，保證系統(tǒng)信息傳輸?shù)目煽啃?。結(jié)合井下工作面的環(huán)境條件，選用RS485 總線通信的形式進(jìn)行系統(tǒng)的通信設(shè)計(jì)。RS485 總線通信采用信號(hào)線之間的高低點(diǎn)評(píng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的判定，具有較好的抗干擾能力[6]。這種通信方式可使控制系統(tǒng)的通信距離達(dá)數(shù)千米，滿足井下綜采工作面長(zhǎng)距離的傳輸需求。

控制系統(tǒng)的端頭控制器作為上傳下達(dá)的中間層，對(duì)其通信能力具有較高的要求。端頭控制器內(nèi)部集成RS485 及CAN 總線兩種接口形式，其通信接口按照?qǐng)D2 所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。兩種總線的通信可通過(guò)軟硬件的配置實(shí)現(xiàn)切換互通，每個(gè)通信線路設(shè)置兩路，分別對(duì)井下的防爆計(jì)算機(jī)及液壓支架控制器進(jìn)行通信連接。系統(tǒng)連接中采用雙絞線的設(shè)置，在接口處設(shè)置有撥碼開(kāi)關(guān)對(duì)總線的通斷進(jìn)行控制，從而對(duì)通信的外部切換進(jìn)行控制。

圖2 端頭控制器通信接口設(shè)置

2.2 液壓支架狀態(tài)感知在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

對(duì)液壓支架進(jìn)行自動(dòng)化的控制，需要實(shí)時(shí)地感知液壓支架的狀態(tài)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的信息進(jìn)行采集并上傳，同時(shí)在人機(jī)交互界面上可對(duì)液壓支架的信息進(jìn)行查詢，從而利用現(xiàn)場(chǎng)的信息進(jìn)行液壓支架的自動(dòng)化控制。依據(jù)液壓支架的結(jié)構(gòu)特征及作業(yè)特點(diǎn)，對(duì)液壓支架的參數(shù)感知信息設(shè)定如圖3 所示。參數(shù)信息包含兩個(gè)部分，一部分為經(jīng)過(guò)傳感器進(jìn)行采集的液壓支架模擬量數(shù)據(jù)，包括液壓支架的壓力、位移量及采煤機(jī)所在的支架編號(hào)；另一部分為液壓支架的控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括控制模式、是否存在急停支架、液壓支架的安全信息、通信信息等。

圖3 液壓支架的參數(shù)采集信息

依據(jù)液壓支架的參數(shù)采集信息，對(duì)液壓支架進(jìn)行狀態(tài)感知在線監(jiān)測(cè)，其實(shí)現(xiàn)方式如圖4 所示，支架的控制器連接有不同的傳感器，固定地進(jìn)行模擬量信息的采集。當(dāng)端頭控制器接收到上位機(jī)傳輸?shù)牟樵冎噶顣r(shí)，從機(jī)的液壓支架控制器將液壓支架的狀態(tài)信息反饋給主機(jī)的端頭控制器。整個(gè)的工作面自動(dòng)化控制系統(tǒng)接收所有端頭控制器的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析計(jì)算存儲(chǔ)，傳輸給防爆計(jì)算機(jī)，通過(guò)循環(huán)的形式對(duì)所有的端頭控制器進(jìn)行查詢，由此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架的遠(yuǎn)程控制，提高系統(tǒng)的集中控制功能，并可進(jìn)行液壓支架參數(shù)的在線查詢及修改，可以減輕井下的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高液壓支架控制效率。

圖4 液壓支架狀態(tài)感知在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3 結(jié)語(yǔ)

液壓支架是進(jìn)行煤礦綜采的重要支護(hù)設(shè)備，液壓支架的自動(dòng)化控制對(duì)煤礦的自動(dòng)化開(kāi)采具有重要的意義。依據(jù)煤礦的智能化及信息化發(fā)展需求，并結(jié)合液壓支架的電液集中控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了具有遠(yuǎn)程控制及在線感知監(jiān)測(cè)的液壓支架工作面自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)共分為四級(jí)，采用RS485通信的形式，具有較高的可靠性。依據(jù)液壓支架自動(dòng)控制系統(tǒng)的需求，對(duì)關(guān)鍵系統(tǒng)的功能進(jìn)行了設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，結(jié)合煤礦的生產(chǎn)特點(diǎn)，對(duì)控制系統(tǒng)端頭控制器通信系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架的控制，并對(duì)液壓支架狀態(tài)感知在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及控制。液壓支架工作面自動(dòng)化控制系統(tǒng)具有實(shí)用性強(qiáng)、可靠性高的特點(diǎn)，可應(yīng)用于煤礦液壓支架的自動(dòng)控制中，降低礦井的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高煤礦的生產(chǎn)效率。