液压支架智能化系统在亿欣煤业的应用

张 辉

(晋能控股煤业集团 晋圣亿欣煤业， 山西 晋城 048006)

0 引言

煤炭是我国的主要传统能源之一，是国民经济的重要动力来源，煤矿综采工作面的智能化建设直接关系到我国国民经济的发展和智能化进程。上世纪50年代，液压支架诞生于英国。半个多世纪以来，随着机械、电子、计算机等学科的发展，液压支架经历了几代技术改进，在矿产开采特别是煤矿开采过程中发挥了极其重要的作用，每一次技术改进都显著提高了煤矿的生产效率和安全水平。推动智能化技术与煤炭产业的融合发展，对于促进煤炭工业高质量发展具有重要意义。

1 电液控制系统的智能化技术

传统的液压支架是由手动液压阀控制的，在煤矿综采工作面中，由于液压支架的控制复杂度显著提升，工作时不仅要求每台液压支架能够独立完成十多个动作，而且还要求各台液压支架能够相互协调控制，因此该控制方式已经不能满足生产和安全要求，取而代之的是智能化水平高、控制精度高、安全性能好的电液控制液压支架。其在开采过程中将以“煤机程序截割、支架自动跟机支护、智能监控系统整体协同保护”的方式进行，达到安全、高效、智能开采的目标，实现工作面有人巡视、无人操作的远程可视化智能化开采。亿欣煤业综采工作面智能化系统建设以高端耐用型设备为基础，以智能监控系统为手段，实现工作面的常态化智能开采。液压支架系统智能化技术包括跟机自动化、姿态自主感知、远程控制和故障诊断等。

2 液压支架智能化系统配置

液压支架应配备电液控制系统，实现全工作面跟机自动化、姿态自主感知及支架远程控制功能。亿欣煤业所建设的液压支架单架配置如图1所示，电液控制系统每台支架配置1个支架警示灯，支架动作时警示灯闪烁(安全、闭锁、急停)，从而保障人员通行安全。每台液压支架配备红外线发射、接收装置(集成控制器内)，与井下综采工作面的采煤机实现联合动作，并能与采煤机、刮板输送机配合，实现自动割煤的采煤作业，在三角煤区域也能实现自动拉架、开采工艺参数化调整功能，可根据采煤工艺参数的设定调整自动化工艺和执行的动作。每台支架安装配置3台压力传感器，量程为0～60 MPa，精度误差≤0.9 MPa，本安型，防护等级≥IP67。每台支架安装配置1台位移传感器，量程为0～960 mm，精度0.5 mm，本安型，防护等级≥IP67，监测推移行程，配合电控调速阀实现支架精准推溜。每台支架安装配置3台倾角传感器，用于监测支架姿态和采高。除上述智能化传感器以外，所有的支架均配备了自动喷雾系统，通过电液换向阀组进行控制，实现架前自动辅助采煤机喷雾除尘。

图1 液压支架单架配置示意图

3 液压支架智能化系统主要功能

3.1 跟机自动化

电液控制系统的基本功能有：控制液压支架完成各种功能动作，可实现邻架、隔架及成组控制操作，可实现本架电磁阀按钮的手动操作；成组程序自动控制的内容包括推溜、喷雾、伸伸缩梁、护帮等；可实现一键“降架、移架、升架”的自动循环移架功能；可实现支架伸缩梁、护帮板、抬底、伸收侧护板和喷雾自动参与自动循环移架功能等。通过不同的参数可调节液压支架每个机构参与动作的时间以及动作工艺流程。在自动跟机模式下，电液控制系统根据采煤机位置自动完成伸收护帮、单架/成组移架、推溜和喷雾除尘等动作。

对电液控制系统在控制方式和响应速度等方面的需求如下：系统能实现工作面支架就地控制、集中控制、无线遥控、远程控制及数据上传，实现自动跟机移架，跟机移架时必须保证采煤机以10 m/min运行时支架随动动作的可靠性；满足支架与采煤机、刮板机在工作面中部自动割煤，两端头能实现割三角煤及清底煤；远程控制响应时间≤300 ms，状态反馈时间≤500 ms。电液控制系统为非主-从机型，当由于某种原因工作面控制系统与顺槽集控系统断开链接后，仍能完成各种操作和设置。

3.2 姿态自主感知

液压支架对顶板的支撑压力与其姿态具有密切联系，如果液压支架的姿态不合理，将会导致液压支架受力不均衡，严重时可能导致其关键机械结构受损甚至发生人身事故。为了在跟机自动化过程中实现对姿态的实时监控，系统装备了倾角传感器、位移传感器和压力传感器，每个液压支架都能通过传感器采集数据并传到采集子站的外部RAM中，采集子站通过RS485传输到上位机，即监控主机中，监控主机通过对各类传感器的数据进行计算和分析，对每个支架的姿态进行核验，然后通过模拟动画的形式显示出来。

3.3 远程控制

系统具备无线遥控功能，其信号稳定，控制距离不小于15 m，无线遥控位置就近与所在区域控制器提前配对，缩短支架遥控器配对读码时间，提高操作效率。无线遥控功能主要包括单架动作和成组动作。如图2所示，控制器通过CAN总线与顺槽主机进行远距离通讯，顺槽主机一方面通过控制按钮控制液压支架的动作，另一方面将液压支架的相关信息在监控主机上显示出来。在监控画面中，监控人员可以通过状态反馈、姿态监控和视频辅助系统确定液压支架的实际位置和姿势。

图2 液压支架远程控制示意图

3.4 故障诊断

电液控制系统具备预警机制，当矿压、安全阀、行程传感器发生超过规定值和行程等异常情况时可进行自动声音报警；电液控制系统具有矿压分析功能，可检测任意支架压力随时间实时变化的曲线，同时还可检测所有液压支架在任意时间的压力分布情况，记录瞬时最大压力，将现场压力数据以曲线或柱状线形式进行显示，实现历史数据查询功能，数据保存不小于2年；集控中心对支架的姿态及高度、立柱的工作压力、推移千斤顶的行程、煤机的位置与方向进行监测，可在自动化主机上显示、存储，并将数据传输到调度中心。

3.5 自动补压

支架在正常承压时的压力是固定的，当由于顶板松动导致液压支架的下腔压力低于固定值时，系统具备支架立柱自动补液功能，会自动将压力补至初撑值，并且补偿开启压力值、关闭压力值可调。自动补压功能的动作时间、开启压力和关闭压力可单独设置和屏蔽，具有带压移架功能。如图3所示，当顶板压力P的取值范围为P

图3 液压支架自动补压示意图

3.6 接口和通信

控制系统具备传感器接口扩展功能，为后期接入更多传感器提供硬件支撑，无需更换现有控制系统。控制系统通过检测通信系统实现对故障位置判断、程序在线升级(架内程序自主检测功能，并具备自动传输功能)、参数在线修改和传输等功能。除此以外，控制系统具有与自动化集控系统进行双向通信的接口，并将系统内传感器所有检测数据和动作信号都传输给集控系统，同时具备第三方协同控制接口，具备后期自动化扩展功能，可根据要求开放给其他软件平台共享数据库。电液控制系统监测所有电磁阀动作状态，并实时上传给集控系统。

4 结束语

为了实现采煤工作面无人值守的发展目标，推进煤矿行业“机械化换人、自动化减人、智能化作业”专项行动，对综采工作面进行智能化改造是未来的发展方向。当前液压支架电液控制技术的主要内容为基于顺槽计算机的集控技术，这项技术的应用极大地提高了煤矿生产的效率和安全性。为了提高液压支架的智能化程度，将来还需要结合大数据、物联网等新兴技术做更多有益探索。