液壓支架電液控制系統的跟機自動化技術研究

高 鵬

（霍州煤電集團河津五星煤業有限責任公司，山西 河津 043302）

綜采工作面“自動化”和“人化”對于提高煤礦開采安全性具有重要意義,實現煤礦綜采工作面自動化的關鍵就是對綜采機電設備進行可靠的遠程監測、控制及故障診斷,進而實現“少人化”綜采工作面。隨著能源技術革命及采煤機械技術的創新發展，實現煤礦的智能化開采及無人化作業是進行煤礦持續開采的必要舉措。隨著煤礦綜采技術的發展應用，液壓支架作為綜采自動化的重要支護設備，通過液壓油的作用實現支架的推移、支護等工作，為煤礦的自動化綜采提供支護，液壓支架綜采過程中跟隨刮板輸送機的軌道行進，而行進的方向及速度需與采煤機的作業一致，實現跟機作業，保證煤礦的自動化開采[1]。對液壓支架綜采過程中自動化跟機的控制系統進行分析，依據視覺相機進行采煤機位置的信息采集，并進行信息的處理從而對液壓支架的動作及姿態調整進行控制，實現液壓支架的自動化跟機作業，保證煤礦綜采的自動化作業，提高煤礦開采的效率及安全性[2]。

1 液壓支架綜采自動化跟機控制系統的設計

1.1 控制系統構成

液壓支架進行工作面支護的過程中，依據控制系統的指令對液壓系統的動作進行控制，從而實現液壓支架結構部件姿態的調整，并依據工作面的整體工況進行支架的推移作業。液壓支架的電液控制系統包括上位機操作程序、電液控制器、控制閥組、傳感器等組成，系統的組成如圖1所示。

圖1 液壓支架電液控制系統的組成

1.2 控制系統的功能設計

在液壓支架進行支護的過程中，需依據采煤機的位置及狀態進行液壓支架的調整控制，電液控制器是液壓支架進行自動控制的核心，與液壓系統的電磁換向閥組相連接，從而對支架的機械部分進行控制。控制系統常用的傳感器包括壓力、位移傳感器及紅外接收器，對液壓支架立柱的支撐壓力及支架移動的位移信號進行采集，并通過紅外接收器對采煤機進行定位，從而為跟機作業提供信號。上位機用于顯示液壓支架的工作狀態參數信息，可進行遠程的監控操作，實現對液壓支架的遠程交互控制，提高工作面的無人化程度。

液壓支架綜采自動化跟機控制系統可分為井上及井下兩部分。井下部分為液壓支架自動化跟機控制的主要部分，主要依據工作面的設備配置進行控制系統的配置，包括電液控制子系統、順槽監控子系統[3]。

電液控制子系統。采用IMU傳感器實現對液壓支架自身位姿狀態的監測，同時采用視覺處理技術對采煤機的位姿信息進行獲取，采用Powerlink 通信模塊實現液壓支架多節點的快速響應，提高控制系統的實時響應；順槽監控子系統布置在工作面的順槽設備車上，包括液壓支架的遠程控制模塊及人機交互模塊、視覺處理模塊及狀態參數監控模塊，將采集的數據通過Ethernet 傳輸到Wincc 監控系統，實現數據的采集傳輸。井上部分為地面的監控系統及遠程控制系統，地面監控子系統通過光纖進行數據的采集存儲，并可實現對液壓支架的遠程監控，同時可將攝像機采集的視頻信息傳輸到地面監控子系統中，可直觀地查看液壓支架的運行狀態。液壓支架綜采自動化跟機控制系統的設計如圖2所示，控制器的硬件系統包括3個微控單元（MCU）、通信模塊、人機操作界面、數據采集處理模塊及電磁閥的驅動模塊。控制系統采用監測與控制分離的總線傳輸，便于進行多架同步控制及遠程控制，減少系統的延時。對于系統采集的檢測參數采用Ethernet 進行傳輸，對于控制指令的下發及反饋采用Powerlink 進行傳輸，采用模塊化的多MCU 分別進行通信管理，通過RS485與操作面板進行通信，實現對液壓支架跟機的自動化實時控制[4]。

圖2 液壓支架自動化跟機控制系統的整體框圖

2 液壓支架綜采自動化跟機控制系統的實現

在液壓支架綜采自動化跟機控制系統中依據采煤機的姿態進行液壓支架的跟機控制，需要依據采煤機的位置及姿態進行及時的調整，由于開采過程中受到煤巖分布、刮板輸送機的直線度及煤層的變化等影響，采煤機的速度會產生一定的變化，影響液壓支架的跟隨準確性，甚至產生截割干涉，影響煤礦的安全開采[5]。針對采煤機的運動，在液壓支架的頂梁位置安裝紅外攝像機，同時在采煤機的搖臂上安裝相應的檢測信標，其安裝示意如圖3所示。

圖3 液壓支架自動跟機決策系統的安裝示意圖

建立液壓支架自動化跟機控制的決策系統，通過攝像機進行信標圖像的采集，利用圖像處理技術檢測液壓支架與采煤機之間的相對姿態，對液壓支架的調整進行控制，保證液壓支架跟機的準確性。在實際安裝開采中，為避免落煤對信標的遮擋，在安裝過程中可將信標適當地靠近搖臂方向，保證信標的中心與采煤機的滾筒中心線及搖臂的中心線重合，從而依據信標的位置計算出采煤機的位姿。在此基礎上，結合系統的安裝位置，得到液壓支架與采煤機的相對姿態信息及采煤機的截割狀態，從而對液壓支架的跟機動作做出控制[6]。

3 液壓支架綜采自動化跟機控制系統的應用效果

對液壓支架綜采自動化跟機控制系統的應用效果進行測試分析，在煤礦的工作面對液壓支架加裝相應的傳感器及紅外攝像機，并安裝自動控制系統搭建系統測試平臺。采煤機在刮板輸送機上進行移動，通過紅外攝像機采集信標圖像進行姿態計算，從而得到采煤機的位置信息。受刮板輸送機的長度限制，針對前4架液壓支架的位置進行測定分析，各安裝一臺紅外攝像機，并在不同的時段進行采煤機滾筒信標的圖像采集，通過Powerlink 模塊傳輸到控制系統上位機中進行分析計算得到采煤機的位置數據[7]。在采煤機移動過程中，對采煤機的位置數據進行測定得到采煤機的位置數據如圖4所示。

圖4 采煤機位置測定數據曲線

其中1 號液壓支架在采煤機前進方向上間隔35cm，相鄰液壓支架的中心距離為130cm。從圖4 中可以看出，液壓支架綜采自動化跟機控制系統對采煤機位置的測定分析誤差小于3mm，具有較高的測量精度，能夠實現液壓支架對采煤機跟機的自動化精確控制。

4 結論

液壓支架是進行煤礦自動化綜采的重要支護設備。在開采過程中，為實現液壓支架的自動化無人控制，需要跟隨采煤機進行自動化的移動作業。針對液壓支架綜采自動化跟機控制系統對電液自動化控制系統的設計，實現液壓支架支護位姿的自動化感知及控制，并通過紅外攝像機對采煤機位置進行測定，得到較好的測定效果，從而實現準確的自動化跟機控制。