煤矿综采液压支架电液控制系统研究

引言

液压支架电液控制系统是现阶段煤矿作业中最为先进的一种支护设备控制方式，其融合了液压、电子、网络通信、计算机以及机械等多种技术，既能提高开采效率，又能保障作业安全。

1 液压支架电液系统简析

液压支架电控部分构成如图1所示，主要分为电源、传感器、支架控制器、监控主机、人机操作界面、电磁先导阀、连接器、过滤元件、辅助器和主阀等多个部分[1]，电源箱均设置电源耦合器，负责向支架单元提供电力支持。在液压支架构成中，每个控制单元都分为传感器、控制电缆、人机操作界面、电磁组阀、辅助缆、主控制阀组以及支架控制器等多个部分。

系统结构中，支架控制器均经由电缆连接为一个整体网络，不同支架器之间的通信模式均为全双工串行通信，通过CAN总线通信确保综采数据信息的整理与传递[2]。此外，巷道主机主要用于远程监控液压支架和综采工作面其他相关设备工况。

图1 液压支架电液控制系统结构示意

2 液压支架电液控制系统设计

支架控制器是液压支架电控系统的核心组件，与巷道主机、采煤机位置检测系统和通信网络一同组成电液控制系统。从功能层面来看，支架控制器不仅能够控制液压支架动作，亦可用于搜集整理电流传感器、红外、位移、压力或者电压等方面的反馈信息，进一步检测后向巷道主机输送检测结果。采煤机位置检测系统负责收集相应的定位数据，为支架控制器提供支持，后者子系统在定位数据信息的支持下实现综采工作面的跟机自动化操作。巷道主机主要是利用CAN总线网络对目标设备进行实时监控，并可配合目标设备联动[3]。

2.1 支架控制器

在液压支架电液控制系统中，支架控制器是核心部分，在新型电液控制技术以及高端通信技术的支持下，操作人员对液压支架运动有精确的控制，系统控制器和各支架控制器之间的连接通信也得到良好保障。通常情况下控制器采用增强型单片机，性能较高，亦可选用一些高性能微处理器，譬如DSP、ARM等。支架控制器硬件设备通常分为基本配置、数据采集、通信模块、人机交互和电磁驱动五个部分，如图2所示。

图2 支架控制器硬件组成部分示意

其中基本配置单元中，电源模块开关电源芯片能够稳定持续保持3.3 V的输出电压，采用滤波电路可有效保证抗电磁干扰性能，从而达到高精度、低能耗以及低噪音的电源性能。存储模块主要用于存储运行状态下的人机交互命令等系统信息；数据采集模块可搜集检测各种信息数据，譬如支架压力、移架行程、采煤机位移以及控制器电流电压等，还可通过多路信号采集器获取采样模式混合信号。通信单元均利用接口协议来保障控制器通信，其中I2C总线协议能够读取人机交互数据；CAN总线负责机巷集控室主机与控制器全局之间的通信管控。电磁驱动模块参照控制器发出的动作指令，通过电磁驱动电路来控制电磁阀动作。电磁驱动模块能够实现多路信息输出功能，并可对驱动电路进行实时在线监测。人机交互模块中，操作人员通过键盘输入指令动作，操控液压支架实现紧急停止或成组自动控制等功能，并且可结合实际情况灵活应用，可设置或适当修改相关参数[4]。液晶显示窗可实时反馈管理者或系统发出的操控指令，帮助管理人员有效监控系统运行状况。

2.2 采煤机位置检测系统

红外线技术是采煤机位置检测系统实现目标定位的关键技术，每台采煤机以及液压支架均配置独立的位置检测系统，以保证位置检测精确性。采煤机位置检测系统结构如图3所示。

图3 采煤机位置检测系统结构示意

采煤机以及液压支架上安装的位置检测系统并无差异，但是在煤矿生产实践过程中，为了便于应用，提高通用性，设计人员针对相同的位置检测系统设计了不同的软件，采煤机检测系统为发送工作模式，而液压支架位置检测系统则为接收工作模式。

调制模块发出的固有频率脉冲序列，经过微处理器后变为调制待发射信号的载波信号，具有良好的抗干扰特性，并且有利于强化信号在长距离传输过程中的传输质量；发射模块主要功能是红外线信号的发送，接收模块则接受红外信号并加以解析，控制器对数据进行处理分析，明确采煤机位置。由图3可知，DAC模块用于指示所得结果，或通过RS485通信总线向支架控制器发送所得结果，确保液压支架自动化操作顺利完成[5]。

2.3 巷道主机

液压支架电液控制系统中，巷道主机也是极为重要的一部分，是系统进行实时操控的关键设备。巷道主机通常包括显示器控制板、显示器接口、硬盘接口、液晶显示器、电源模块、显示驱动器、存储模块、鼠标键盘接口以及本安型隔离器等多种硬件设备，系统配置90～250 V交流电源，安全栅以及隔离电路则采用12 V直流本安电源模块（5 V亦可）；主板和主机显示器配设有12 V直流开关电源。巷道主机通常采用以太网口或者串并行口等不同类型的接口与其他配套电气设备建立接口；鼠标键盘等各种输入设备经由隔离型本安接口与主机连为一体，核心板与驱动板之间相连，液晶显示器由此具备人机交互功能。储存模块主要是硬盘，其功能在于存储操作系统，同时亦可用于管理软件。

液压主机一般是根据系统功能性来适当修改RedHat9.0操作系统，完成内核编译工作，使之具备配置启动等相关功能，主机监控软件是设计人员采用GTK+工具基于Linux系统研发的一种定制型用户界面，可读取数据库信息并于前台显示；后台数据信息通常是读取缓冲文件所得，所以前后台之间的工作应当分工并行[6]。

支架控制软件可以显示采煤机移动路线、支架架号、支架喷雾情况、采煤机位置、驱动器状态、首末支架架号等数据信息，并且能够以图形的方式实时显示各支架推移行程与电压情况，操作人员可根据图形颜色对支架运行状态进行判断和评估，亦可通过人为配置来设定上下限值。应强调的是，支架控制软件通过双色LED灯的方式对自动补压、自动移位以及自动推溜、网络通信等状态进行模拟显示，一些错误详细信息也能够以比较智能化的方式出现在状态栏内。通过菜单选项可实时查看全部支架的状态信息，设置系统并可发出下位控制器的控制命令，达到了实时监控液压支架作业工况的目的。巷道电控系统结构如图4所示。

图4 巷道电控系统结构示意

3 结语

在煤矿综采工作面中，液压支架是极为重要的一种设备，其电液控制技术也在很大程度上影响煤矿作业效率和生产安全性。为了跳出高价格高成本的现状，改善国内矿井应用适应性较差这一局面，深入研究分析并优化煤矿综采液压支架电液控制系统是极为必要的。随着相关设计领域的逐步深入与国产开发系统的普遍应用，相信煤矿作业安全生产水平也会随之提升。