SAC 型液壓支架智能控制系統的分析與應用

仝部雷

（山西省煤炭職業中等專業學校（山西省煤炭職工培訓中心）， 山西 太原 030012）

引言

SAC 型液壓支架智能控制系統以電液控制技術為基礎，通過電液換向閥將電信號轉換成液壓信號，實現液壓支架的依據程序的自動控制。SAC 型液壓支架智能控制圍繞感知、傳輸、控制技術，進行液壓支架與工作面的設備、環境、工藝、流程等多維度耦合控制技術研究，進一步增加通過對液壓支架姿態、位置以及工作面設備、環境、工藝、流程、位姿的感知，提升液壓支架執行機構的控制精度，進行液壓支架與采煤機、刮板輸送機設備之間的相互融合，實現對液壓支架的智能控制功能。

1 SAC 型液壓支架智能控制系統組成

SAC 型液壓支架智能控制系統主要由感知、控制、執行等部件構成，由支架控制器、驅動器、壓力傳感器、行程傳感器、采煤機位置傳感器偶合器、信號轉換器、電源箱、連接電纜、電液換向閥組（電磁先導閥+主閥）順槽監控主機、遠程操作裝置和地面監控中心服務器等組成[1]。

工作面每臺液壓支架上配置一套支架控制單元，支架控制器為支架控制單元核心控制部件，支架控制單元包括支架控制器、電磁驅動器，在推移千斤頂上安裝有行程傳感器，用于檢測支架推移行程，在立柱上安裝有壓力傳感器，用于檢測支架頂板壓力，在采煤機上安裝有紅外發射器，在每臺液壓支架上安裝有紅外接收器，用于檢測采煤機所處的位置和運行方向。

2 SAC 型液壓支架智能控制系統工作原理

SAC 型液壓支架智能控制系統通過在液壓支架上布置大量的感知元件，對液壓支架運行工況進行實時在線檢測，實現液壓支架與采煤機、刮板輸送機、泵站的耦合控制，實現液壓支架對工作面的圍巖耦合支架控制器是SAC 型液壓支架智能控制系統的核心部件，支架控制器內置計算機系統，在支架控制器上設置有總線和鄰架線兩個通道的通信鏈路，支架控制器可以接收來自鄰架和遠程終端設備發出的指令，通過其內置的計算機控制程序進行解析，向本架驅動器發出支架動作控制指令，驅動器導通對應的電磁先導閥，將電信號轉換成液壓信號，并通過主閥將液壓信號放大，推動油缸動作，從而實現對液壓支架的控制。在液壓支架動作過程中，通過檢測相關傳感部件，以確定停止油缸動作的時機。

為了滿足現場安裝使用與維修需求，支架控制器可以將人機交互組件和驅動組件單獨分離出來，形成了人機界面、驅動器等多種結構形式。早期煤科總院太原研究院研制的JKT1 型和YLT 型的支架控制器，采用直接驅動電磁先導閥的控制模式。SAC 型液壓支架智能控制系統采用ZDYZ 型系列支架控制器。具有適合于薄煤層使用的一體化控制器，適用于中厚煤層使用的16 功能控制器、20 功能控制器+人機界面和適應大采高、放頂煤使用的26 功能控制器+驅動器等多種形式。前兩種形式控制器直接驅動電磁先導閥進行控制，26 功能控制器既可直接驅動16 功能8 組電磁先導閥，也可帶電磁驅動器驅動26 功能13 組電磁先導閥。

3 SAC 型液壓支架智能控制系統功能

3.1 基本功能

SAC 型液壓支架電液控制系統具有本架單動作程序控制功能，可以實現本架推溜動作的程序控制；具有鄰架單動作控制功能，可以實現單動作連鎖控制；具有單架程序控制功能，可以實現單架自動移架程序控制；具有成組控制功能，可以實現成組支架的護幫板收/伸動作控制、成組支架自動化移架控制，程序支架推溜動作控制；具有急停、閉鎖、停止等安全操作功能；具有順槽監控中心和地面的遠程操作控制功能[2]。

3.2 智能控制功能

1）智能補壓控制。通過在液壓支架立柱上安裝壓力傳感器，可以實時檢測液壓支架對工作面頂板的支撐壓力，當液壓支架立柱油缸由于密封件損壞、液壓閥損壞等問題出現泄漏，導致液壓支架對工作面頂板支撐壓力不足時，電液控制系統將自動啟動支架升柱功能，使液壓支架對工作面頂板支撐壓力達到預先設定的初撐力，確保工作面頂板的支撐壓力，從而實現工作面圍巖智能耦合。

2）液壓支架跟機控制。液壓支架可以根據采煤機位置，依據采煤工藝，自動完成工作面液壓支架的收伸護幫板、移架、推溜等動作，隨著采煤機速度的不斷變化，液壓支架將會自動調節跟機移架支架同時動作的數量，并提出泵站供液能力需求

3.3 遠程遙控與集中控制功能

1）液壓支架遙控。通過將無線通信方式接入到支架控制器中，使用支架遙控器進行液壓支架的動作控制，進行人員定位與安全管理技術研究，針對全向天線垂直能量分布實現基于RSS 定位智能識別，對操作人員進行自主定位，將操作人員所在支架進行軟件閉在方便操作的同時，確保操作人員的安全性能，遙控方式特別適合薄煤層和大采高場用[3]。

2）液壓支架遠程集中控制。將工作面液壓支架控制系統數據、視頻、語音信息集中傳輸到大巷監控中心或地面調度室的計算機上，依據支架監控系統數據畫面，視頻畫面，并通過建立液壓支架模型和工作面相關設備、礦井環境模型，將工作面數據匯集，驅動三維仿真模型，實現工作面的在線模擬仿真，操作人員可以從不同的視角觀察工作面設備的運行狀況，并通過遠程操作裝置，對液壓支架自動化動作進行遠程干預控制。

4 SAC 型液壓支架智能控制關鍵技術

SAC 型液壓支架智能控制系統實現液壓支架智能感知、數據匯集、大數據分析、控制模型與反饋控制，通過對運行工況環境的分析與學習，使設備具有自主學習能力，提高設備的自適應性能。

4.1 SAC 型液壓支架姿態智能化控制

4.1.1 支架姿態控制及其防傾倒智能化控制

在液壓支架的底座、頂梁、掩護梁、前連桿等結構上安裝傾角傳感器，可以準確地描繪液壓支架的姿態，可以實現液壓支架運行姿態的在線檢測。對于大采高液壓支架來說，隨著采高的加大，質量加大，重心加高，其穩定性較普通液壓支架差，更容易發生傾倒等問題。通過液壓支架重心計算模型，可以得到液壓支架在各種姿態下的重心軌跡曲線，支架的重心位置越低，液壓支架所處的狀態就越穩定，在液壓支架護頂等相關約束條件下，在液壓支架控制程序中建立自我學習決策能力，可以實現液壓支架防傾倒的智能控制功能。當液壓支架在某種姿態下重心偏離穩定區域時，將自動啟動保護模式，使液壓支架自動控制到與其姿態最接近穩定區域的一種姿態。

4.1.2 支架護幫板姿態控制及其圍巖耦合智能控制

在液壓支架的一級護幫板上安裝行程傳感器，通過控制一級護幫板行程，防止片幫煤垮落到支架內。同時在液壓支架跟機收回護幫板的過程中，多架的護幫板可以逐次收回，以提高護幫板的收回速度，確保液壓支架護幫板收回動作與采煤機速度相匹配。同時，三級護幫板上安裝接近傳感器，當三級護幫板完全收回到位時，發出檢測信號防止護幫板結構件未收到位造成的結構件干涉碰撞損壞。

在液壓支架的一級護幫板上安裝壓力傳感器，通過控制一級護幫板頂在煤壁上的支撐壓力，實現護幫板對煤壁的主動支撐，當對煤壁的支撐壓力不足時，將自動開啟補壓功能以保證液壓支架護幫板對煤壁達到有效的支撐力，與液壓支架立柱的自動補壓功能可以共同完成對工作面頂板和煤壁的有效管理，從而實現液壓支架的圍巖智能耦合。同時，還可以防止在液壓支架在護幫板收回后有大塊煤垮落砸壞立柱油缸或卡在支架與電纜槽之間造成支架無法推移等事故。

4.2 礦壓分析與工作面周期來壓智能預報

通過將工作面推進過程中的壓力數據進行數據清洗、篩選、分析，找出工作面頂板壓力變化的內在規律，對工作面支護質量及支護效果進行評價，對工作面周期來壓進行智能預報的研究探索

4.3 SAC 型液壓支架與采煤機的耦合智能化控制技術

利用紅外發射和接受裝置，可以實現工作面采煤機的準確定位，同時將采煤機智能控制系統的采煤機位置參數通過自動化綜合系統傳輸到液壓支架智能控制系統中，實現采煤機位置的冗余檢測，提高采煤機位置的可靠性。

液壓支架將采煤機前方護幫板收回信息及時報送采煤機控制系統，液壓支架與采煤機幾何位置耦合，防碰撞智能控制。

移架后，自動完成支架推溜控制。為了提高跟機自動化的可靠性與穩定性，采用“機架協同”方式實現跟機自動化控制，采煤機依據液壓支架動作完成情況控制采煤機割煤，如其條件未達成將設備掛起，處于等待階段，等條件具備后再執行下一步的工作，從而提高設備成套化自動化的自適應能力，使其生產過程效率最大化。

4.4 SAC 型液壓支架與泵站系統的耦合智能化控制技術

在工作面主管路上安裝壓力傳感器，對液壓支架供液系統狀態進行感知，對供液系統行情況進行評價，并可以依據工作面液壓支架動作需求，對泵站系統及時提出供液需求以確保液壓支架動作快速準確。當提高采煤機速度時，跟機過程中需要更多的液壓支架同時動作才能保證跟機移架護頂，同時在泵站供液系統能力保持不變時，將使工作面的壓力衰減，從而會影響工作面液壓支架的移架速度。因此，依據液壓支架跟機速度的要求，液壓支架電液控制系統向泵站控制系統提出了液壓支架同時動作數量的供液需求，泵站控制系統應根據該需求，決定開啟泵站的數量，從而保證工作面液壓支架在多架動作時能夠在規定時間內完成支架的推移動作，實現液壓支架與泵站供液系統的智能調度。

4.5 SAC 型液壓支架與刮板輸送機系統的耦合智能化控制

液壓支架推溜動作需要依據刮板輸送機的負荷進行智能控制，當刮板輸送機負荷達到規定的閾值時，電液控制系統將液壓支架推溜動作掛起，當其負荷小于規定閥值時，再次啟動推溜動作，從而實現液壓支架與刮板輸送機的智能耦合控制。

5 實踐應用分析

SAC 型液壓支架智能控制系統在云岡礦、西曲礦、寺河礦等大型煤礦進行了實踐應用，該系統的應用滿足了礦井工作面生產智能化和自動化的要求，起到了提產增效的積極作用，為煤礦企業創造了較好的社會安全效益和經濟效益，可以在全國煤礦進行推廣應用。