綜采工作面液壓支架控制系統現狀及發展方向

謝志清

（山西鄉寧焦煤集團元甲煤業有限公司， 山西 臨汾 042100）

引言

隨著煤礦智能化、信息化技術的不斷進步，煤礦井下綜采工作面“三機”設備的自動化程度不斷提升，朝著高效率、高可靠性和高實時性方向快速發展。液壓支架作為煤礦井下綜采工作面唯一支撐設備，在承擔支撐采煤空頂區任務的同時還承擔著推溜、采煤機定位的作用[1-2]。因此，液壓支架可靠、穩定運行直接關系到綜采工作面的生產效率。在實際運行中，液壓支架控制器發揮著核心作用，可控制液壓支架單機動作、成組動作和聯動控制。因此，實現液壓支架控制器的智能化控制，對提高液壓支架工作效率、減少綜采工作面故障發生率具有重大意義。

1 液壓支架控制系統常見故障

綜采工作面液壓支架實際運行時，液壓支架控制系統常出現如下故障：

1）液壓支架失穩，即液壓支架在動作過程中發生傾斜、滑移、反轉等故障，原因是液壓支架控制器指令傳輸過程中存在丟包現象，使得控制指令失效，從而影響液壓支架正確動作。

2）液壓油泄露，即液壓閥門、膠管發生泄漏故障，原因為液壓支架控制器的控制實時性以及精確性較差，獲取的液壓油油壓傳感器數據的精度較低[3]。

3）液壓支架異動及扭矩故障，原因是液壓支架控制系統出現異常導致液壓支架運動過程中出現卡殼或者自動降架等現象。

2 液壓支架控制技術

2.1 PM31 控制技術

德國PM31 液壓支架電液控制系統總體結構框圖，如圖1 所示。每一個液壓支架配置一臺液壓支架控制器，按照順序與干線電纜互連成網。該支架控制器的工作電壓為DC12 V，防護等級為IP68。PM31 支架控制器核心芯片采用微處理器64180，擁有32 kB的EPROM，96 kB的RAM。支架控制器人機交互界面設置有25 個操作鍵以及急停按鈕和閉鎖按鈕，同時配置有16 字符的LED 顯示屏和蜂鳴器。PM31 支架控制器外殼為工程塑料，質量較輕，操作方便[4-5]。PM31 液壓支架電液控制系統從端頭架開始，對支架控制器進行由小到大順序編號。干線電纜為四芯線，芯線1 為電源+12 V，芯線4 為電源0 V，芯線2 為該干線電纜上所有支架控制器通信公共線，即TBUS，芯線3 為支架控制器鄰架通信線，即BIDI。相鄰的6～7個支架控制器由一路直流電源供電，形成一個支架控制組。隔離耦合器將支架控制器進行分組供電，阻斷支架控制組之間的電氣連接，同時，通過光耦合方式實現支架控制組之間的數據通信。圖1 中的網絡終端器、總線提升器是為保證支架控制器通信質量，減少數據丟包率的輔助設施。每一個支架控制器外接兩個壓力傳感器，分別用于監測左、右立柱下腔壓力值。一個位移傳感器，用于監測推移千斤頂的位移，另一個紅外傳感器，用于監測采煤機的運行方向和實時位置。每一個支架控制器還外接一套電液閥組，用于控制液壓支架的動作。PM31 液壓支架電液控制系統采用BIDI Bus 與T Bus 相結合的數據通信模式，即在支架控制器間采用BIDI Bus 通信，在全綜采工作面采用T Bus 通信，通信速率為19.2 kbit/s。該通信模式為總線通信方式，且是私有總線。該液壓支架電液控制系統實現復雜，消耗的系統資源較多，通信協議可靠性差，需要通過軟件編程對通信數據進行錯誤檢測，并在數據出錯后，觸發數據重發機制。

圖1 德國瑪珂PM31 液壓支架電液控制系統總體結構框圖

2.2 PM4 控制技術

德國DBT PM4 液壓支架電液控制系統總體結構框圖如圖2 所示，采用微電子處理技術與液壓控制技術相結合，實現液壓支架按照預定程序自動循環運行。DBT PM4 支架控制器核心芯片為單片機，擁有64 kBRAM。該支架控制器的人機交互界面為16 字符的LED 顯示屏以及25 鍵的鍵盤。DBT PM4 支架控制器的外殼為整體不銹鋼，密封性和防護性較好。DBT PM4 液壓支架電液控制系統主要由端頭設備和工作面設備兩部分組成。端頭設備主要包括服務器、電源、數據傳輸器和電源適配器等[6-7]。服務器用于監測支架控制器數據，同時將獲取的數據傳送至獨立可編程計算機和井下主控臺MCU。電源單元可為電液控制系統中的設備提供兩路DC12 V 電源。該電源單元的輸入電壓為交流100～135 V，輸出為兩路DC12 V 的直流電壓，最大電流為1.5 A。數據傳輸器可將RS485A 以及RS485B 通信數據進行耦合放大，并傳輸至井下主控臺MCU 以及地面中央控制室，傳輸距離范圍為250～500 m。電源適配器可連接耦合數據，同時為支架控制器提供DC12 V 電源，連接電纜為四芯，芯線1 為+12 V，芯線4 為0 V，芯線2、3 為數據線。工作面設備包括支架控制器SCU，傳感器組、電磁閥組、隔離適配器以及電源適配器。支架控制器通過四芯電纜順序相連，并通過隔離適配器、電源適配器進行信號放大傳輸，微處理機實現對液壓支架的動作控制以及數據傳輸。支架控制器外接的傳感器主要有壓力傳感器、位移傳感器和紅外傳感器等。電磁閥組接收支架控制器輸出信號，驅動對應的電磁閥進行動作，完成對液壓支架的操作。PM4 液壓支架電液控制系統采用BIDI Bus 數據通信模式，通信速率為56 kbit/s。采用該通信模式的缺點是控制器工作故障時，將導致全工作面通信中斷，對液壓支架的控制只能采取手動模式。BIDI Bus 數據通信模式為私有總線通信方式，數據通信的可靠性較差，需要通過軟件編程進行彌補，延長了系統的開發周期。

圖2 德國DBT PM4 液壓支架電液控制系統總體結構框圖

2.3 EEP 控制技術

德國EEP Pra_matic 液壓支架電液控制系統總體結構框圖如圖3 所示，由地面工作室、服務器、本安型電源、支架控制器、傳感器組以及電磁閥組組成[8]。EEP Pra_matic 支架控制器分為中央服務器和單支架控制器，中央服務器用于設置并監視單支架控制器。單支架控制器的輸出信號最多為16 個，采用Profibus總線方式進行數據通信，外殼為整體不銹鋼鋼板，且較厚，密封性和防護性優越。EEP Pra_matic 支架控制器人機交互界面為16 字符的LCD 顯示屏。支架控制器的供電電源為AC220 V，2～3 個支架控制器由一個本安型電源進行供電。支架控制器與服務器之間以Pra_matic 進行通信，速率為38.4 kbit/s。服務器與地面控制室之間以Profibus 進行通信，速率為93.75 kbit/s。

圖3 德國EEP 液壓支架電液控制系統總體結構框圖

3 現有控制技術的不足及發展方向

綜采工作面液壓支架控制系統的應用，降低了液壓支架工的工作強度，提高了液壓支架工作效率，對煤礦井下綜采工作面的智能化、信息化具有積極的意義，為后續液壓支架控制系統的研究奠定了基礎?；诂F有液壓支架控制系統研究成果和現狀，還需從以下方面進一步研究：

1）需研究開放、包容的液壓支架架間通信協議，各液壓支架控制系統能夠互融互通。

2）液壓支架控制系統通信速率需進一步提高，保證液壓支架控制指令傳輸的實時性和穩定性。

3）提升液壓支架控制系統與地面控制室數據傳輸的實時性，保證非周期、控制級別較高的指令有限傳輸。

4）提升并改善液壓支架操作模式，增強控制靈活性。