液壓支架電液控制系統的優化研究

藺萬鵬

（陽泉市上社二景煤炭有限責任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

液壓支架是煤礦井下支護作業的核心，其工作的穩定性和可靠性直接決定了井下支護效率和安全性。目前液壓支架多數僅具備簡單的升架、降柱、成組動作控制功能，自動化程度低、調控精度差，不僅無法實現對支護狀態的實時監測，也無法實現液壓支架的跟機自動運行，已經無法滿足煤礦井下智能化綜采作業的需求，極大地影響了井下綜采作業的效率和安全性。

1 電液控制系統整體結構

煤礦井下綜采智能化的一個關鍵點是，液壓支架能夠對支護時的壓力進行感知，并對采煤機的相對位置進行判斷。通過對支護壓力的感知可及時調整支護時的支撐壓力，從而確保在整個支護過程中的穩定性，避免出現支護失穩現象；對液壓支架、采煤機的相對位置進行判斷，主要是能夠實現液壓支架的跟機自動運行，確保采煤機和液壓支架不會相互干涉，實現綜采面綜采設備的智能化聯動運行。

根據采煤機、液壓支架、刮板輸送機工作時的相對流程，本文提出了液壓支架電液控制系統整體結構，如圖1 所示[1]。

由圖1 可知，該控制系統主要包括上位機、下位機、感知層三個部分，上位機主要包括數據庫和監控界面，主要用于將監測結果顯示在監控終端上，便于監測人員及時掌握液壓支架的工作狀態，同時能夠在緊急情況下進行遠程調控，直接對相應的支架下達調整命令，提高井下液壓支架控制的靈活性。下位機是井下支架組的控制終端，包括一個下位機控制站及多個液壓支架控制器，各液壓支架控制器主要對支架的運行狀態信息進行匯總和分析，將結果傳輸給下位機，進行統一的數據分析，同時支架控制器用于接收各類調整命令，直接對各支架的運行情況進行調整，并對調整結果進行監控，確保支架調整的精確性。感知層主要是分布在各個液壓支架上的傳感器，用于對支架的運行狀態進行監測，并將監測結果傳遞到支架控制器內。

圖1 液壓支架電液控制系統結構示意圖

2 支架控制器硬件結構設計

支架控制器是控制液壓支架運行和動作調整的基礎，其工作的穩定性直接決定了支架調整的準確性和安全性。由于井下工作環境較為惡劣，因此需要控制系統內的各硬件設備在滿足控制性能要求的情況下具備極高的可靠性，同時為了便于在出現故障時進行快速調整和更換，要求控制系統的硬件盡量采用模塊化[2]的結構設計方案，在接口處采用標準協議接口，提高數據傳輸效率，也便于后續系統的擴展或者升級。該支架控制器硬件系統結構如圖2 所示。

圖2 支架控制器硬件結構

液壓支架的支架控制器與系統的電液控制裝置相連通，由支架控制器發出各類調節信號，對電液控制系統內的調節電磁閥、執行油缸等進行調節，保證各液壓支架能夠根據系統發出的調節信號準確地執行各類調整動作，實現井下支架的智能控制運行。

3 通信系統設計

該電液控制系統順利工作的核心是各類數據信息的快速傳遞，為了解決井下復雜電磁環境下信號傳輸干擾性大的難題，在系統內設置了雙路RS485 通信協議，用于保持液壓支架間數據通信的穩定性，同時在系統內還設置了雙CAN 數據通信系統，用于實現井下巷道內主機和支架控制器之間的數據通信，該數據通信系統的整體結構如圖3 所示[3]。

圖3 數據通信控制結構示意圖

該控制系統采用了雙回路通信模型，能夠對數據收集和數據發送進行分路傳遞，可以有效提升數據的傳輸效率和抗干擾性。在系統內設置了網絡交換機，采用了斯密特觸發反相器控制，能夠對輸入信號進行快速的濾波處理，消除信號內的雜波，提高輸入信號的穩定性。

煤礦井下地質條件較為復雜，不同工況下的液壓支架控制需求也不統一，因此對控制靈活性要求較高。經過對多種控制模式進行分析后，最終確定了“就地控制為基本、遠程控制為主體”的控制模式。在就地控制的過程中，員工在支架控制器終端直接下達控制指令，控制支架組完成成組動作，實現井下液壓支架組小范圍內的協同運行控制。遠程控制主要是由員工在地面控制中心發出各類調節指令，經過通信系統傳輸到井下支架控制器終端，實現對各支架運行的靈活控制。

目前該支架控制系統已經在多個巷道投入應用，根據對其工作狀態的跟蹤，其運行時的調節反應時間由最初的3.4 s 降低到了目前的0.357 s，支架調節反應時間縮短了89.5%；液壓支架在調節時的精度由最初的±0.18 m 降低到了目前的±0.02 m，顯著地提升了控制系統的反應靈敏性和控制精度，對保證井下液壓支架組的運行可靠性具有十分重要的意義。

4 結論

1）該控制系統主要包括上位機、下位機、感知層三個部分，能夠保證在不同情況下直接對相應的支架下達調整命令，提高井下液壓支架控制的靈活性。

2）雙路RS485+雙CAN 數據通信系統，能夠對數據收集和數據發送進行分路傳遞，可以有效提升數據的傳輸效率和抗干擾性。

3）就地控制為基本、遠程控制為主體的控制模式，具有高度的靈活性，可以滿足不同工況下的控制需求。

4）該控制系統能夠將支架調節的反應時間縮短89.5%，將液壓支架的調節精度保持在±0.02 m，對保證井下液壓支架組的運行可靠性具有十分重要的意義。