液壓支架智能化系統(tǒng)在億欣煤業(yè)的應(yīng)用

張 輝

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 晉圣億欣煤業(yè)， 山西 晉城 048006)

0 引言

煤炭是我國的主要傳統(tǒng)能源之一，是國民經(jīng)濟(jì)的重要動力來源，煤礦綜采工作面的智能化建設(shè)直接關(guān)系到我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和智能化進(jìn)程。上世紀(jì)50年代，液壓支架誕生于英國。半個多世紀(jì)以來，隨著機(jī)械、電子、計算機(jī)等學(xué)科的發(fā)展，液壓支架經(jīng)歷了幾代技術(shù)改進(jìn)，在礦產(chǎn)開采特別是煤礦開采過程中發(fā)揮了極其重要的作用，每一次技術(shù)改進(jìn)都顯著提高了煤礦的生產(chǎn)效率和安全水平。推動智能化技術(shù)與煤炭產(chǎn)業(yè)的融合發(fā)展，對于促進(jìn)煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

1 電液控制系統(tǒng)的智能化技術(shù)

傳統(tǒng)的液壓支架是由手動液壓閥控制的，在煤礦綜采工作面中，由于液壓支架的控制復(fù)雜度顯著提升，工作時不僅要求每臺液壓支架能夠獨立完成十多個動作，而且還要求各臺液壓支架能夠相互協(xié)調(diào)控制，因此該控制方式已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)和安全要求，取而代之的是智能化水平高、控制精度高、安全性能好的電液控制液壓支架。其在開采過程中將以“煤機(jī)程序截割、支架自動跟機(jī)支護(hù)、智能監(jiān)控系統(tǒng)整體協(xié)同保護(hù)”的方式進(jìn)行，達(dá)到安全、高效、智能開采的目標(biāo)，實現(xiàn)工作面有人巡視、無人操作的遠(yuǎn)程可視化智能化開采。億欣煤業(yè)綜采工作面智能化系統(tǒng)建設(shè)以高端耐用型設(shè)備為基礎(chǔ)，以智能監(jiān)控系統(tǒng)為手段，實現(xiàn)工作面的常態(tài)化智能開采。液壓支架系統(tǒng)智能化技術(shù)包括跟機(jī)自動化、姿態(tài)自主感知、遠(yuǎn)程控制和故障診斷等。

2 液壓支架智能化系統(tǒng)配置

液壓支架應(yīng)配備電液控制系統(tǒng)，實現(xiàn)全工作面跟機(jī)自動化、姿態(tài)自主感知及支架遠(yuǎn)程控制功能。億欣煤業(yè)所建設(shè)的液壓支架單架配置如圖1所示，電液控制系統(tǒng)每臺支架配置1個支架警示燈，支架動作時警示燈閃爍(安全、閉鎖、急停)，從而保障人員通行安全。每臺液壓支架配備紅外線發(fā)射、接收裝置(集成控制器內(nèi))，與井下綜采工作面的采煤機(jī)實現(xiàn)聯(lián)合動作，并能與采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)配合，實現(xiàn)自動割煤的采煤作業(yè)，在三角煤區(qū)域也能實現(xiàn)自動拉架、開采工藝參數(shù)化調(diào)整功能，可根據(jù)采煤工藝參數(shù)的設(shè)定調(diào)整自動化工藝和執(zhí)行的動作。每臺支架安裝配置3臺壓力傳感器，量程為0～60 MPa，精度誤差≤0.9 MPa，本安型，防護(hù)等級≥IP67。每臺支架安裝配置1臺位移傳感器，量程為0～960 mm，精度0.5 mm，本安型，防護(hù)等級≥IP67，監(jiān)測推移行程，配合電控調(diào)速閥實現(xiàn)支架精準(zhǔn)推溜。每臺支架安裝配置3臺傾角傳感器，用于監(jiān)測支架姿態(tài)和采高。除上述智能化傳感器以外，所有的支架均配備了自動噴霧系統(tǒng)，通過電液換向閥組進(jìn)行控制，實現(xiàn)架前自動輔助采煤機(jī)噴霧除塵。

圖1 液壓支架單架配置示意圖

3 液壓支架智能化系統(tǒng)主要功能

3.1 跟機(jī)自動化

電液控制系統(tǒng)的基本功能有：控制液壓支架完成各種功能動作，可實現(xiàn)鄰架、隔架及成組控制操作，可實現(xiàn)本架電磁閥按鈕的手動操作；成組程序自動控制的內(nèi)容包括推溜、噴霧、伸伸縮梁、護(hù)幫等；可實現(xiàn)一鍵“降架、移架、升架”的自動循環(huán)移架功能；可實現(xiàn)支架伸縮梁、護(hù)幫板、抬底、伸收側(cè)護(hù)板和噴霧自動參與自動循環(huán)移架功能等。通過不同的參數(shù)可調(diào)節(jié)液壓支架每個機(jī)構(gòu)參與動作的時間以及動作工藝流程。在自動跟機(jī)模式下，電液控制系統(tǒng)根據(jù)采煤機(jī)位置自動完成伸收護(hù)幫、單架/成組移架、推溜和噴霧除塵等動作。

對電液控制系統(tǒng)在控制方式和響應(yīng)速度等方面的需求如下：系統(tǒng)能實現(xiàn)工作面支架就地控制、集中控制、無線遙控、遠(yuǎn)程控制及數(shù)據(jù)上傳，實現(xiàn)自動跟機(jī)移架，跟機(jī)移架時必須保證采煤機(jī)以10 m/min運(yùn)行時支架隨動動作的可靠性；滿足支架與采煤機(jī)、刮板機(jī)在工作面中部自動割煤，兩端頭能實現(xiàn)割三角煤及清底煤；遠(yuǎn)程控制響應(yīng)時間≤300 ms，狀態(tài)反饋時間≤500 ms。電液控制系統(tǒng)為非主-從機(jī)型，當(dāng)由于某種原因工作面控制系統(tǒng)與順槽集控系統(tǒng)斷開鏈接后，仍能完成各種操作和設(shè)置。

3.2 姿態(tài)自主感知

液壓支架對頂板的支撐壓力與其姿態(tài)具有密切聯(lián)系，如果液壓支架的姿態(tài)不合理，將會導(dǎo)致液壓支架受力不均衡，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致其關(guān)鍵機(jī)械結(jié)構(gòu)受損甚至發(fā)生人身事故。為了在跟機(jī)自動化過程中實現(xiàn)對姿態(tài)的實時監(jiān)控，系統(tǒng)裝備了傾角傳感器、位移傳感器和壓力傳感器，每個液壓支架都能通過傳感器采集數(shù)據(jù)并傳到采集子站的外部RAM中，采集子站通過RS485傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，即監(jiān)控主機(jī)中，監(jiān)控主機(jī)通過對各類傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和分析，對每個支架的姿態(tài)進(jìn)行核驗，然后通過模擬動畫的形式顯示出來。

3.3 遠(yuǎn)程控制

系統(tǒng)具備無線遙控功能，其信號穩(wěn)定，控制距離不小于15 m，無線遙控位置就近與所在區(qū)域控制器提前配對，縮短支架遙控器配對讀碼時間，提高操作效率。無線遙控功能主要包括單架動作和成組動作。如圖2所示，控制器通過CAN總線與順槽主機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離通訊，順槽主機(jī)一方面通過控制按鈕控制液壓支架的動作，另一方面將液壓支架的相關(guān)信息在監(jiān)控主機(jī)上顯示出來。在監(jiān)控畫面中，監(jiān)控人員可以通過狀態(tài)反饋、姿態(tài)監(jiān)控和視頻輔助系統(tǒng)確定液壓支架的實際位置和姿勢。

圖2 液壓支架遠(yuǎn)程控制示意圖

3.4 故障診斷

電液控制系統(tǒng)具備預(yù)警機(jī)制，當(dāng)?shù)V壓、安全閥、行程傳感器發(fā)生超過規(guī)定值和行程等異常情況時可進(jìn)行自動聲音報警；電液控制系統(tǒng)具有礦壓分析功能，可檢測任意支架壓力隨時間實時變化的曲線，同時還可檢測所有液壓支架在任意時間的壓力分布情況，記錄瞬時最大壓力，將現(xiàn)場壓力數(shù)據(jù)以曲線或柱狀線形式進(jìn)行顯示，實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢功能，數(shù)據(jù)保存不小于2年；集控中心對支架的姿態(tài)及高度、立柱的工作壓力、推移千斤頂?shù)男谐獭⒚簷C(jī)的位置與方向進(jìn)行監(jiān)測，可在自動化主機(jī)上顯示、存儲，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸{(diào)度中心。

3.5 自動補(bǔ)壓

支架在正常承壓時的壓力是固定的，當(dāng)由于頂板松動導(dǎo)致液壓支架的下腔壓力低于固定值時，系統(tǒng)具備支架立柱自動補(bǔ)液功能，會自動將壓力補(bǔ)至初撐值，并且補(bǔ)償開啟壓力值、關(guān)閉壓力值可調(diào)。自動補(bǔ)壓功能的動作時間、開啟壓力和關(guān)閉壓力可單獨設(shè)置和屏蔽，具有帶壓移架功能。如圖3所示，當(dāng)頂板壓力P的取值范圍為P

圖3 液壓支架自動補(bǔ)壓示意圖

3.6 接口和通信

控制系統(tǒng)具備傳感器接口擴(kuò)展功能，為后期接入更多傳感器提供硬件支撐，無需更換現(xiàn)有控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)通過檢測通信系統(tǒng)實現(xiàn)對故障位置判斷、程序在線升級(架內(nèi)程序自主檢測功能，并具備自動傳輸功能)、參數(shù)在線修改和傳輸?shù)裙δ?。除此以外，控制系統(tǒng)具有與自動化集控系統(tǒng)進(jìn)行雙向通信的接口，并將系統(tǒng)內(nèi)傳感器所有檢測數(shù)據(jù)和動作信號都傳輸給集控系統(tǒng)，同時具備第三方協(xié)同控制接口，具備后期自動化擴(kuò)展功能，可根據(jù)要求開放給其他軟件平臺共享數(shù)據(jù)庫。電液控制系統(tǒng)監(jiān)測所有電磁閥動作狀態(tài)，并實時上傳給集控系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

為了實現(xiàn)采煤工作面無人值守的發(fā)展目標(biāo)，推進(jìn)煤礦行業(yè)“機(jī)械化換人、自動化減人、智能化作業(yè)”專項行動，對綜采工作面進(jìn)行智能化改造是未來的發(fā)展方向。當(dāng)前液壓支架電液控制技術(shù)的主要內(nèi)容為基于順槽計算機(jī)的集控技術(shù)，這項技術(shù)的應(yīng)用極大地提高了煤礦生產(chǎn)的效率和安全性。為了提高液壓支架的智能化程度，將來還需要結(jié)合大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)做更多有益探索。