ZF13000 型液壓支架遠程監測與控制系統設計研究

朱曉倩

（晉能控股煤業集團四老溝礦，山西 大同 037000）

1 概況

四老溝煤礦綜合采煤采用ZF13000 型液壓支架進行支護作業，智能化程度低，對液壓支架故障狀態的識別度低，一旦液壓支架出現故障停止工作，需要人工進行故障排查。為了提升礦上的智能化程度，打造“智慧礦山”，進行智能化液壓支架監測和控制系統[1-5]設計研究。

2 液壓支架遠程控制系統設計

2.1 遠程控制系統主機

ZF13000 型液壓支架監控系統主機的選擇根據液壓支架的使用工況和監控系統的功能需求確定。布置在綜采工作面的ZF13000 型液壓支架，環境瓦斯濃度相對較高，且監控系統需要具備液壓支架的實時狀態監測、控制模式切換、狀態參數修改以及液壓支架監控歷史數據查詢等功能。結合煤安要求，該煤礦針對ZF13000 型液壓支架監控系統的主機選擇本安型防爆計算機，其組成結構如圖1。

圖1 系統主機本安型防爆計算機組成結構圖

2.2 ZF13000 型液壓支架狀態監測

監控系統對ZF13000 型液壓支架的監測項目主要有液壓支架的移架狀態、急停與閉鎖狀態、支架立柱壓力、推溜位移等。移架狀態表明液壓支架的動作是否由控制系統直接控制；急停與閉鎖狀態的顯示能夠對監控值班人員發出緊急情況提醒，保證液壓支架狀態安全穩定；立柱壓力數據的采集與顯示是表明液壓支架是否起到支護作用的關鍵；液壓支架的推溜位移是當采煤機運行時，布置在采煤機后的ZF13000 型液壓支架會完成推溜、拉架動作，能直觀反映出采煤機的推進效率以及液壓支架是否按照采煤工藝完成了移架支護動作。

系統監控程序通訊采用雙CAN 總線方式，分別執行狀態監測與輪巡功能，巡檢周期設定為3 s。監控界面設計如圖2。其中移架狀態與推溜位移、前后立柱壓力采用X-Y 坐標形式，X 軸標號代表液壓支架的編號，Y 軸代表監測項目的數值。監測數據通過裝設的各類傳感器采集信號轉化后獲取，液壓支架的急停與閉鎖狀態的顯示則采用開關量模式，液壓支架的急停或閉鎖信號通過信號傳輸通道采用對應狀態標志變色的方式顯示在上位機。

圖2 監控界面圖

2.3 控制模式切換

工業智能控制系統的控制模式一般分為就地控制、遠程控制和集中控制三種，ZF13000 型液壓支架監控系統針對三種控制模式進行了切換設計。就地控制對現場操作人員開放，通過液壓支架操控設備直接控制液壓支架的動作與狀態；遠程控制設計為控制人員在順槽監控中心通過操作上位機實現液壓支架控制；集中控制是智能化無人控制模式，按照設計的控制邏輯，系統通過命令接收與狀態數據采集，自動控制采煤機和液壓支架動作。基于集中控制系統需求，系統設計了兩種控制指令模式，一種是周期性的巡檢指令，另一種是系統自動化判斷發出的控制指令。如果兩種指令數據在同一時間發出，則會導致系統錯誤，為此在周期性指令發出前后設定了指令“靜默期”，即非周期的指令能且只能在“靜默期”內發出，避免兩種指令的沖突。集中控制模式下的控制邏輯是：停止巡檢指令的發出，并在集控指令發出并收到所有控制液壓支架的應答指令后的3 s 后自動進行一次巡檢。為了實現自動控制的安全，設定在系統收到急停或故障信號后，控制模式自動轉換為就地模式，防止故障下自動控制系統錯誤指令的發出。

2.4 在線修改參數

液壓支架控制系統的在線修改參數功能通過上位機進行，提升系統的兼容性，調整不同工況環境下液壓支架的狀態。參數修改范圍包括液壓支架的運行參數、系統的自動化控制參數以及系統各類傳感器監測數據。支架運行參數主要有控制液壓支架的數量、立柱壓力范圍、移架路程以及成組動作劃分參數等；系統自動化控制參數主要是系統控制模式、測試結果顯示模式以及指令執行模式等；傳感器參數主要是針對是否將某傳感器數據納入程序運算范圍、傳感器監測數據取值范圍以及傳感器初始值等。在線修改參數界面如圖3，用戶第一次下發參數時，需手動填寫參數值并點擊發送參數，下發參數成功后Lab VIEW 會自動把參數寫入數據庫表中。

圖3 在線參數修改界面圖

2.5 歷史數據查詢

系統設計了采煤周期一年內的液壓支架監控數據，主要對故障信息以及控制指令數據進行整理存檔，用戶可以隨時調取，多以曲線圖的形式展示。

3 液壓支架監控系統測試

3.1 系統監測功能測試

主要測試系統對液壓支架前后立柱壓力、推溜位移、采煤機位置、急停閉鎖信號等狀態參數的監測功能是否及時準確。

（1）立柱壓力與推溜位移測試

搭建的試驗平臺采用直流電信號模擬液壓支架立柱壓力信號，采用位移傳感器獲取液壓支架推溜位移數據。試驗選擇10 號模擬支架進行測試，對安裝在10 號模擬支架上的位移傳感器的上部位置和中部位置分別施加3 V 和5 V 兩個不同電壓等級的電信號。監測界面如圖4，左圖為位移傳感器中部3 V 信號的支架壓力、推溜位移值的監測界面，可以看出此時顯示10 號液壓支架的立柱壓力為30 MPa 左右，位移量為50 cm 左右；右圖為位移傳感器上部5 V 信號的支架壓力、推溜位移值的監測界面，可以看出此時顯示10 號液壓支架的立柱壓力為58 MPa 左右，位移量為99 cm 左右。通過計算，監測誤差≤1.5%，滿足不大于2%的設計需求。

圖4 立柱壓力與推溜位移測試界面

（2）采煤機位置監測功能

系統對采煤機位置的監測是通過裝設在采煤機上的紅外發生裝置和裝設在液壓支架控制器內的紅外信號接收器配合完成的。綜采面采煤機的運行速度約5.5 m/s，ZF13000 型液壓支架的運行速度為1.8 m/s，控制系統會實時監測二者相對距離，調整紅外接收裝置的朝向與角度，使接收裝置的扇形接收區域一直覆蓋發射裝置，通過系統設定的定位算法，完成采煤機定位。試驗平臺測試中模擬了單臺采煤機的運行軌跡，上位機準確顯示出采煤機位置。

（3）急停閉鎖功能測試

系統設定的急停功能是對所有接入系統的液壓支架進行控制，而閉鎖功能是對3 臺液壓支架進行控制。試驗系統共在系統中接入10 臺液壓支架，對7 號液壓支架分別進行了急停與閉鎖操作，上位機顯示界面如圖5。急停控制了全部10 臺液壓支架，7 號急停顯示為深色模式；閉鎖狀態下，共對3 臺液壓支架進行閉鎖操作，分別為6 號、7 號和8 號液壓支架，7 號閉鎖顯示為深色模式。系統的急停閉鎖邏輯控制準確，系統反應迅速。

圖5 急停閉鎖功能測試界面

3.2 系統控制功能測試

（1）切換控制模式功能

在上位機上將控制模式切換到遠程模式下，選擇單動作模式，選擇4 號支架進行遠程控制，觀測液壓支架動作與指令相同；選擇成組動作模式，選擇4 號支架，選擇成組方向為向后，成組范圍為4～9，發出拉架指令后，上位機顯示4～9 號液壓支架同時進行拉架操作，觀察4～12 號液壓支架實際動作與上位機顯示相同。

（2）在線修改參數功能

試驗人員在上位機參數修改界面對系統連接的10 臺液壓支架的支架數量、拉架最大距離和伸縮梁最長時間進行修改，參數修改后分別為支架數量10、拉架最大距離100 cm、伸縮梁最長時間2 s。液壓支架控制器接收到修改參數信息后執行命令，修改RAM 中對應數據，對液壓支架控制器的參數菜單進行檢查，可以看出控制器參數與上位機修改的參數相同，表明通訊正常，在線修改功能實現。

4 結語

（1）根據綜采工作面環境瓦斯濃度高以及對液壓支架實時狀態監測、控制模式切換、狀態參數修改、液壓支架監控歷史數據查詢等功能的需求，監控系統主機選擇本安型防爆計算機。

（2）控制系統能夠實現液壓支架控制模式的切換、在線數據修改以及歷史數據查詢等功能，其中集中控制模式能夠實現無人值守智能化操作，在線參數修改功能提升了系統對環境與不同型號液壓支架兼容的能力。

（3）設計了試驗平臺對監控系統的監測功能、采煤機位置監測、急停閉鎖功能、切換控制模式功能以及在線修改參數功能等進行測試，表明監控系統監測狀態監測靈敏，控制功能有效。