煤矿综采工作面液压支架电液控制技术的发展及应用

宋单阳，宋建成，田慕琴，许春雨，宋 鑫，李新胜

(太原理工大学 矿用智能电器技术国家地方联合工程实验室，煤矿电气设备与智能控制山西省重点实验室，太原 030024)

液压支架是用于采煤工作面顶板支护的设备，在现代化采煤工作中起着极其重要的作用，该设备的诞生极大地提高了采矿业的工作效率和安全水平。液压支架诞生于20世纪50年代的英国[1]，经历了垛式、节式、掩护式、支撑式等不同的发展阶段，目前支撑掩护式支架应用较多，特别是在煤矿综采工作面中[2]。

液压支架工作时需要复杂的独立控制功能和相互之间的协调控制技术。每台支架都拥有十余个动作，最初每组动作都由手动液压阀来控制，但是这种控制方式很难满足生产效率和日益提高的安全性技术要求。液压支架电液控制技术就是在这种背景下逐渐发展起来的，并且从简单的邻架控制，迅速向全工作面的自动化集中控制进步。液压支架电液控制技术同样起源于最早开发液压支架的英国，并很快在欧洲、美洲、澳大利亚等世界上许多的国家和地区获得了巨大的发展和应用。

现代液压支架电液控制技术，是一个集机械、液压、电子、计算机和信息网络诸多关键技术为一身的高技术体系，具有控制效率高、动作精度高、安全系数高等特点，并且特别适合于综采工作面自动化作业的实施；相比于传统控制方式，电液控制能大大提高自动化程度，进而提高生产效率；对于液压支架系统来说，也只有电液控制技术才能实现支架的快速、精确、高效、安全控制。并且，液压支架电液控制技术已经不局限于控制液压支架本身的动作，而是集信息采集和反馈为一体，并且承担起了采煤机、刮板输送机、液压支架等设备协同工作的控制功能，成为无人值守工作面自动化生产作业中，协调整套设备系统非常重要的一环[3]。无论从当前还是长远来看，集诸多优点于一身的电液控制技术都拥有着良好的发展和应用前景，加快发展液压支架电液控制技术是无人值守或少人值守工作面自动化采煤的必然选择；同时，无人值守全工作面自动化生产技术也是电液控制技术的主要发展方向。

1 电液控制技术发展历程

1.1 国外的发展历程

20世纪50年代，英国研制出了世界上第一台垛式液压支架。到了20世纪70年代，随着液压支架动作功能的增加、动作速度的提高和动作安全性要求的提升，对液压支架电液控制的研究开始集中涌现；1981年，英国道梯公司首先研发出了第一套成熟的液压支架电液控制系统，并应用于澳大利亚科里曼尔煤矿长壁综采工作面；1985年该公司研发出了第二代电液控制系统，该系统在运输巷内布设了主控制台，通过通讯电缆完成对各支架控制器的寻址，实现了全工作面支架的集中控制。

同一时期，德国、美国等发达国家也纷纷意识到液压支架电液控制技术的巨大优越性和发展潜力，开始集中力量开展相关研究。德国威斯特伐利亚公司与西门子公司联合研制的Panzermatic-E系统，是德国第一套达到实用并推广应用的液压支架电液控制装置，该系统能够分组显示液压支架的相对位置和故障，显示系统的运行参数，如降柱时间、分组架数、采煤机相对位置及其行程，并能用键盘输入某些运行参数；1987年德国威斯特伐利亚公司又和Macro公司合作研发出了PM2型电液控制系统，应用于德国鲁尔矿区，该系统率先实现了总线方式的急停，使得系统对急停功能的响应速度大大提高[4]。70年代到80年代末这一时期，电液控制系统的特点是功能比较简单，稳定性不高，各公司的产品都处于不断升级改造、逐步完善的阶段，属于电液控制技术的初步发展时期。

20世纪90年代以来，随着电子技术、控制理论、计算机技术的飞速发展，电液控制技术的水平获得了大幅提高[5]。1990年威斯特伐利亚和Macro公司推出了PM2型系统的演化升级型号PM3型，PM3型电液控制系统在技术上已相当成熟可靠，在世界范围内得到了推广应用；该型号之后发展出两个分支，即：由Macro公司推出的PM31型，和现属于德国DBT公司旗下的PM4型。这两种产品都具有很高的可靠性，能够兼容多种类、不同厂商的传感器，适用条件比较广泛，信息采集功能也十分完善。因此，直到21世纪初叶，这两个型号的产品以及与其具有相似特点的美国JOY公司的RS20型、德国EEP公司的PR116型、德国迪芬巴赫公司的ASG5型成为了世界上的主流液压支架电液控制器产品，它们奠定了这类产品的基本形态。

20世纪90年代到21世纪初的这一时期，电液控制技术有了长足的进步，应用规模大大扩展。以美国为例，截止到1994年，美国81个综采工作面有73个配备了了电液控制系统，比例超过90%；到1996年该比例上升至92.7%.

1.2 国内的发展历程

与世界上其它发达国家不同，我国在液压支架及其电液控制技术方面的研究起步较晚，经历了引进吸收、合作开发到自主研究的发展过程。

我国于20世纪70年代末开始引进英国、德国较为先进的液压支架和综采设备，80年代中期开始自主研究电液控制技术，但初期收效并不显著[6]。1991年北京煤机厂研制出BMJ-Ⅰ型电液控制系统，郑州煤机厂研制出DYZK-Ⅰ型电液控制系统，后者在大同四台矿完成20架井下工业性试验；1993年9月郑州煤机厂在I型的基础上开发出DYZK-Ⅱ型支架电液控制系统，在邢台煤矿进行了井下工业性试验并通过鉴定；1996年煤炭科学研究总院太原分院研制出了YLT型支架电液控制系统，在大同矿务局马脊梁矿进行了国内第一个全套工作面井下工业性试验并通过鉴定，又于1998年在东胜补连塔煤矿进行了16架试验。

以上国内早期研制成功的电液控制产品，能够实现邻架单动作和成组动作程序控制，具有急停、报警等必要安全功能[7]，但是通讯距离和稳定性普遍不高，受基础工业水平和企业管理水平制约，基本元件和批量产品的可靠性比较低，因此在大范围推广上受到了影响。

2008年3月郑州煤机厂最新研制的电液控制系统通过国家试验检测中心的测试认证，获得相关安标证书，标志着我国电液控制系统相关技术开始走向成熟；郑州煤机集团研发的电液控制产品，具有6路信号采集功能，20路开关量输出功能，能够和其生产的液压支架更好的配合，通讯系统则采用冗余双总线结构，还具有中、英、俄三种语言显示的功能特点。同年，天地玛珂公司在引进德国Macro公司PM31系统技术的基础上，研发出SAC型液压支架电液控制系统，于2008年底通过成果鉴定，形成了具有完全自主知识产权的成果[8-9]，正式弥补了我国在这一领域的空白。该系统采用先进的嵌入式控制技术，使用国际标准的CAN总线建立通信系统，采用人机操作界面分离，驱动电路合一的独特结构，系统具有抗干扰能力强、性能可靠、使用方便等特点，其部分技术已达到或超过世界先进水平。

在煤矿综采自动化技术发展需求的驱动下，国内陆续涌现了多家研究单位。除郑州煤机液压电控有限公司和北京天地玛珂电液控制系统有限公司外，宁波长璧流体动力科技有限公司、四川航天电液控制有限公司和太原理工大学等单位都对电液控制技术展开了深入的研究，促进了电液控制技术的不断发展。

宁波长壁流体动力科技有限公司研发的产品采用分离式结构，主体人机交互界面具有22个操作按键、2×10中文显示液晶屏和蜂鸣器。它通过外置的红外接收器接受采煤机位置信息。动作控制信息则由电磁阀驱动器进行解码和驱动。该产品静态工作电流不超过150 mA，采用本安防爆设计，拥有良好的节能和防护性能。

四川航天电液控制有限公司研发的电液控制系统使用了CANBUS现场总线进行通讯，采用非主-从结构组网，还配备有无线遥控器。系统含有压力、位移、双轴倾角传感器，均具有良好的测量精度和灵敏度。控制器外壳经过了专业的防水防尘设计，内部电路板全部灌封，其防水、防尘、防震、抗干扰性能都处于业内领先地位。

太原理工大学煤矿电气设备与智能控制山西省重点实验室、暨矿用智能电器技术国家地方联合工程实验室在国家国际科技合作专项项目“煤矿无人值守工作面液压支架电液控制系统的研制”和山西省国际科技合作计划项目“无人值守工作面液压支架自动追机运行控制系统关键技术攻关”两大项目的联合资助下，研制出了ZDYZ型电液控制系统[10]。该系统功能齐全[11]，技术先进，系统可以采集液压支架的状态信息[12]并实现这些信息的上传和集中管理[13]，进而据此完成自动制导和集中控制[14]；该系统还具有通用性强，组成灵活度高的优点，能够对多个厂家的不同规格传感器[15]、电磁先导阀实现完全兼容，最大限度降低工作面综采设备的配合难度。系统在开发过程中，采用了产学研结合的方式，经过前后多次的井下试验和生产运行，针对我国煤矿的特点和井下工人的使用习惯[16]，进行了数次技术升级[17]，形成了具有国际先进水平的电液控制技术[18-19]。2013-2016年期间，该系统在晋煤集团古书院矿152304，152308等6个工作面先后应用，取得了良好的效果；2016年又与多个单位达成了应用协议。

天地玛珂公司SAC系统和太原理工大学ZDYZ系统实现了国产液压支架电液控制系统向国际先进水平的飞跃。但是近年来，电液控制技术的发展重心已经转变，不再是基础功能而是向着高可靠性、全自动化、强智能化方向发展。波兰DOH公司推出的DOH-Matic电液控制系统，除能实现自动化移架推馏外，还可检测到工作面其它设备，包括采煤机、刮板机、乳化液泵站、组合开关等的工作状态[20]，并具有状态评估和一定的故障诊断定位功能，该系统还配有无线压力传感器。EEP公司的PR400系列控制器，将人机交互界面和控制单元分开成为2个独立的模块，通过通讯电缆连接；PR500在PR400的基础上削减了部分功能，保留了传感器和红外功能的前提下，将体积缩减到了20 cm×10 cm×10 cm以内，仅为传统产品的1/4.可以肯定，国产控制器在可靠性和高端功能方面依然有追赶的空间。

2 电液控制技术研究现状

现阶段对电液控制技术的研究，主要集中在控制方法、控制系统硬件和自动化及其它高端功能的研究方面。

2.1 控制技术

液压支架电液控制技术根据使用位置和控制功能划分，包括了邻架先导控制技术、成组控制技术、端头集中控制技术和顺槽计算机集中控制技术4部分。

2.1.1 邻架先导控制技术

邻架先导控制技术是为了杜绝本架控制带来的危险性，也为了摆脱邻架手动控制液压管路异常繁琐的情况而出现的一种控制技术，是最原始的电液控制技术。邻架先导控制技术就是采用电子技术，通过本架的控制器来控制邻架的电磁先导阀或伺服电机阀，来驱动液压主阀动作。该技术是在邻架手动控制的基础上发展出来的，技术上采用电信号和电磁先导阀代替了手动控制的液压阀[21]。

邻架先导控制的发展初期，电液控制系统的物理组成就是多台电液控制器和电磁先导阀，每台控制器可以看作是一个单独的个体，控制器之间虽然有电缆连接但是却没有信息交换[22]。控制器除了邻架控制外没有其它功能。这种控制器工作时不需要传感器等其它设备配合，只通过电缆传输电信号即可，其内部控制芯片一般采用PLD或FPGA芯片，而没有用到强大的微处理芯片。

邻架先导控制技术虽然简单，但是极大降低了井下工人的劳动强度，提高了控制精度，还保证了作业安全性，是电液控制技术最基本的功能。

2.1.2 成组控制技术

一个工作面通常拥有80～150台液压支架，除机头和机尾弯区段外其余支架的动作都是相近的简单重复。为提高控制效率，在电液控制技术中增加了成组控制技术[23]。

成组控制技术是指通过一台控制器控制一组若干台控制器进行一个或一系列有规则的动作，它可以控制一组支架按照设定程序有序动作。这种控制技术要求控制器与控制器之间采用通信电缆相连接，实现控制信号的传递[24]。

成组控制技术出现的背景是通信技术的发展。在这一背景下，通过通信线路将电液控制器连接在一起成为可能，控制器之间可以进行信息交换。简单的电缆连接就可以传输复杂的信号，将各电液控制器连接成为一个整体，形成一个系统。系统通过成组控制技术，就可以完成成组动作、自动小循环动作等功能。这种系统可以采用FPGA作为主控芯片，也可以采用具有简单通讯功能的低功耗单片机，其主频和运算能力不需要十分强大。出于控制方便，一般在控制器上会装设显示屏并配有相对复杂的键盘，以完成功能和参数的设置，完成所有功能的控制[25]。

成组控制技术的出现使得支架的平均动作时间大大缩短，允许采煤机运行在更高的速度，极大地提高了生产效率。

2.1.3 端头集中控制技术

端头集中控制技术是为推动工作面少人值守采煤技术的发展而出现的，它是一种能够统筹整个工作面的控制器工作情况，实现全工艺流程自动化的控制技术[26]。该功能对通讯系统实时性和可靠性要求更高，对传感器技术的稳定性和准确性也有很高要求[27]。

端头控制器是在成组控制的基础上，为满足工作面集控模式的需求而出现的。集中控制需要对支架工作状态进行监测，因此在电液控制系统中加入了传感器，如压力传感器、位移传感器等。为了支持复杂的控制功能，要求控制器的主控芯片或其外围功能扩展芯片拥有强大的运算能力、通讯能力、模数转换能力和输入输出能力，通常采用集成了高速UART，ADC，多个I/O口的高主频单片机。为了满足通讯需求，控制器通常拥有不止一条通讯信道，根据需要还会拥有RS485，CAN，IIC等多种通讯模式[28]。特别是对于端头控制器，其程序复杂程度很高[29]，存储的参数众多，因此通常还会拥有非易失性的外部存储器[30]。

端头控制技术允许将控制工作全部集中到端头上来，并拥有满足生产工艺要求的自动控制功能[31]，在进一步提高了控制速度和生产效率的同时，也为自动化控制奠定了基础。

2.1.4 顺槽计算机集中控制技术

计算机集中控制技术是端头集中控制技术的发展，相比端头集中控制技术其自动化程度和智能程度有了进一步提高，可真正实现综采工作面的无人值守自动化作业[32]。

计算机集中控制技术在电液控制系统中增加了防爆计算机作为端头控制器的上位机[33]。计算机设置地点在顺槽的设备列车，通常与数块屏幕、触控键盘、控制台组合成为顺槽集控中心，通过串行接口或以太网与端头连接[34]。得益于防爆计算机强大的计算能力，电液控制系统中得以接入更多更复杂的传感器系统[35]、应用更多的先进技术，系统的运行变得更加高效。传感器和视频摄像头采集到的信息被集中反馈到集控计算机上以显示设备工况，为系统或工作人员远程控制提供依据[36]。而且，电液控制技术已经不再局限于对液压支架的控制，而是发展为了包涵采煤机、刮板机、输送机、液压支架以及工作面上其它设备的集中控制系统。

计算机集中控制技术最大限度地降低了支架动作时间，提高了综采工作面生产效率，同时保证了生产安全。

可以看出，完整的自动化液压支架电液控制系统应由地面监控中心、防爆计算机、端头控制器、支架控制器、电磁先导阀、液压主阀和各类传感器等环节[37]共同协调配合工作而组成。其系统简要组成如图1所示。

图1 电液控制系统的组成结构Fig.1 Composition of the electro-hydraulic control system

2.2 控制系统硬件

在控制系统的各部分之中，支架控制器处于核心位置，它是控制先导阀、液压支架动作的直接作用部分，是一切控制命令的实际执行者。它还承担着状态信息的采集和上传，故障信息的分析和检测等重要任务[38]。

一台支架控制器的主要硬件由控制/计算单元、信号采集单元、人机交互单元、通讯单元和控制输出单元组成。

控制/计算单元的核心是单片机或FPGA等逻辑芯片，负责统筹其它各模块的工作；信号采集单元是一系列接口和采样、转换电路，其作用是采集传感器或其它外部信息；人机交互单元包括键盘、显示屏、指示灯等，用于工作人员操作控制器、了解控制器工作状态；通讯单元的组成除去通讯线路和通讯模块外，通常具有隔离耦合元件，以应对井下复杂的电、磁环境；控制输出单元用于将微小的电平信号转换为较大的电流信号，以驱动电磁先导阀，需要具有较大的电流输出和带负载能力，因此通常采用场效应晶体管或继电器元件[39]。

随着液压支架电液控制技术的发展，控制器产品也不断进步。性能强大、资源丰富的单片机的应用使得控制器产品设计上能够更加集约，功能上能够更加强大；更快速稳定的通讯方式改善了信息传输的效率，提高了自动化水平和稳定性；显示屏、触摸功能组成的完善人机交互界面增强了易用性。

现代化的高端控制器使用非常强大的单片机芯片，通常为采用ARM构架的产品，这种芯片能够拥有100 MHz以上的运算速度，同时满载功耗被控制在0.2 W以下，还拥有电流低于25 μA的低功耗模式。例如Macro公司的最新产品PM32/sg/age型以太网控制器，使用了Atmel公司的SAM4S系列单片机，主频120 MHz，具有1 024 KB Flash存储器，用以存放复杂的集控程序。其还拥有丰富的片上资源，可以极大简化外围电路，有利于提高可靠性和缩小控制器体积。该型控制器的人机交互界面使用了可触摸的液晶屏，具有完备的中文显示功能；同时为了防止误触，具有最小有效触摸压力设置功能。

该控制器采用以太网进行通讯，通讯速度达100 Mb/s，使之可作为整个工作面的数据传输和控制平台，实现综采设备数据传输、支架控制、视频传输、环境监测、人员识别、语音传输和智能照明七网合一。其配备有PM32/vc/e型井下全景摄像头，通过适当配置可实现全工作面视频监控；配备有采用RFID协议通讯的PM32/rc/a型遥控器，能实现数据双向传输功能，三机均可遥控。

PM32/sg/age的这些特性基本代表了现有控制器硬件研究的最高水平。

2.3 自动化及其它高端功能

全工作面无人值守自动化作业是未来采煤技术的发展趋势，液压支架电液控制技术则是工作面自动化控制系统的重要组成部分。同时，全工作面自动化控制系统结合生产要求对电液控制系统还提出了许多外延功能。

2.3.1 工作面校直找平

工作面三直二平是采煤技术中提高生产效率、保障生产安全的基本要求，为此需要在电液控制技术中增加工作面校直和顶板找平功能。

工作面校直功能是利用位移传感器、红外/超声波测距装置、应力传感器、激光传感器等采集信息，获知液压支架之间，支架、刮板输送机、煤壁之间的相对位置，继而计算出推馏或移架的动作量，从而实现三者的校直[40]。工作面顶板找平功能依赖于倾角传感器，原理与校直类似，可以实现底板、支架底座、支架顶梁、顶板四者的平行。但是，受到传感器安装条件和精度的影响，这2种功能的使用效果都还不够完善。

2.3.2 采煤机位置识别

采煤机运行位置识别是跟机自动化的基本要求[41]。对于采煤机位置识别技术的研究，普遍使用了红外原理，在采煤机上装设红外发射器，利用电液控制器进行接收，从而判别采煤机所处相对位置以及覆盖液压支架的范围大小[42]。这一原理和功能应用效果较好，发展比较成熟[43]。

但是，红外线的发射和接收有时会受人员、线缆、煤尘、污垢遮挡的影响。因此也有采用其它无线方式或在采煤机上设置编码器进行位置识别的技术方案[44]。

2.3.3 矿压监测和顶板灾害预警

对顶板压力、运动状态、支架工作阻力等矿山压力特征进行科学观测和分析，有利于配合采煤工艺达到提高开采安全性和增产增效的目的。得益于遍布整个工作面的液压支架立柱压力传感器，电液控制系统获取的压力信息具有很高的参考价值，因此有针对性地开发出了矿压监测和顶板灾害预警功能。

具有该功能的控制系统能够保存并分析支架压力的历史数据，对顶板来压情况进行监测和预测，并结合支架当前撑力和姿态，对矿压变化时可能出现的支架失稳导致的顶板灾害进行预警。不过，目前还很难做到针对不同煤矿、工作面特点进行针对性分析，应用范围还很有限。

2.3.4 瓦斯突出预警

瓦斯突出是煤矿生产重大安全事故，一旦发生经常造成重大伤亡。而利用电液控制系统对采煤机割煤时的瓦斯浓度进行监测，能够实现瓦斯突出预警。

电液控制系统可以方便地监测整个工作面的参数，通过在系统中增加相关传感器，来监测与瓦斯突出有关的瓦斯涌出量、煤层温度、特定频率震动、氦气/氡气浓度、电磁辐射强度等指标，根据指标变化和瓦斯突出预警理论，可以形成瓦斯突出预警能力，来提前防止灾害带来的巨大损失和人员伤亡。

但是，瓦斯突出是一种异常复杂的动力现象，由于煤岩物理、力学性质的非线性、岩体破坏形式的多样性和瓦斯赋存与运移过程中的复杂性，预警理论还不够成熟，难以做到普遍的适用性。

2.3.5 故障诊断和寿命周期管理

通过检测液压支架和液压管路的压力、流量、震动情况、应力、形变量等参数[45]，可以对液压支架的故障进行提前判断和预防，并对达到寿命的液压支架和相关元件提前进行替换。在电液控制系统中引入液压支架的故障诊断和寿命周期管理能有效提高生产效率和保障生产安全[46]。

现有的电液控制系统普遍拥有自身错误的显示功能，但是在针对支架的故障诊断和寿命周期管理功能上十分薄弱。这是因为目前缺乏对液压支架工况参数进行全面状态检测的手段，以及处理检测大数据的能力。

本文通过对液压支架电液控制系统产品的研究发现，对电液控制技术自动化技术及相应高端功能的研究已经起步，但是由于不同煤矿生产条件差别巨大、配套技术还不完善等问题，难以形成广泛的适应性，因此还没有得到大范围推广。

3 电液控制技术的发展趋势

近年来，煤矿生产模式已经由粗放型开采模式向大规模自动化集约型生产模式转变，而在年产千万t级的大型煤矿建设中，为实现全工作面自动化控制，液压支架电液控制技术被提出了更高的技术要求，要求其必须向着高度智能化和自动化方向发展，以满足高产高效、同时保证安全可靠的需求[47]。这些技术要求包括：在通讯系统和传感器技术上更好的与工作面其它设备配合、形成良好的互相感知，更加精确的液压支架位置和姿态控制，更快的控制速度，更有针对性的控制策略等。

本文研究认为，要实现上述发展目标，电液控制技术就必须吸收新技术来不断完善。随着科学技术的发展和新技术的涌现，根据煤矿无人值守自动化采煤的具体要求，未来的综采自动化工作面的电液控制技术将会与网络技术、物联网技术、智能控制技术和大数据技术融为一体，从而引领电液控制技术在综采自动化和智能化领域的发展潮流。

3.1 网络技术

网络技术起源于20世纪90年代，发展到如今，其最重要的应用——互联网已经无处不在，成为人们工作和生活不可或缺的部分。互联网的应用涉及各个领域，并逐渐向着移动互联网发展，结合云计算技术，引领着信息产业发展的潮流。

液压支架电液控制系统要实现高度信息化，同样需要引入网络技术。它能大大扩展电液控制系统的功能[48]。在电液控制技术领域，以工业以太网为代表的网络形式，具有丰富而完备的硬件标准和数据传输协议，传输速率和可靠性也是其它现场总线无法比拟的。在现阶段的研究中，以电液控制系统通讯模块为融合切入点，通过利用网络技术，使控制器组成局域网，实现了最大程度上的信息传输和交换，从而推动了全工作面视频监控和集中控制技术的实现，在液压支架电液控制技术自动化程度发展还不够高的背景下，取得了工作面无人值守和生产安全的平衡，带来了无人值守采煤技术的进步。

但现阶段液压支架电液控制技术对网络技术的引入还仅仅停留在信息传输层面，没有完全发挥出网络技术的优势。网络技术的应用还应包括计算资源、储存资源、信息资源的全面共享，和系统中各设备的协同工作以及任务动态调度。利用网络技术，才能充分调动每一台支架控制器的运算能力和充分利用全部的传感器信息，增强每一台控制器在控制过程中的决策能力，减轻端头主控制器和上位机的工作负担，改变盲目死板的数据上报模式，将整个工作面上的设备统筹为一个有机的整体，从而在有限的计算能力下实现更强大的自动化和智能化控制功能。现阶段，不断加深网络技术在电液控制技术中的应用，能够让系统的集中控制功能越来越完备，并向全面自动化稳步推进。

3.2 物联网技术

物联网即物物相连的互联网，其意义在于多种网络的相互渗透，在于与传感技术和智能处理技术的高度融合，实现设备运行状态的在线监测、信息的无线传输和数据的智能处理[49]。

物联网技术与电液控制技术的融合点是，用物联网技术改造电液控制技术的传感器系统，增强其功能，改变其信息传输模式，简化其数据传输过程，丰富其数据采集量。在液压支架电液控制技术中渗透入物联网技术，可以使涉及多设备、多变量的复杂状态检测的数据采集工作变得更加简易；利用其传感器信息无线传输的特点，还可以进一步将收集到的巨量数据简易地汇总起来，继而完成智能处理，最终使工作面设备获得协同工作的能力，使全工作面自动化生产有了进一步技术保障。同时，只有物联网技术能够为支架电液控制提供足够的自动化控制和智能控制数据依据。

物联网技术是一种能在满足生产功能的基础上，实现工作面上电液控制系统、液压支架、采煤机、刮板机、皮带机和供电等各设备互相感知和信息交换的技术，是利用有限的资源整合工作面设备各自网络、解决全工作面设备集中状态检测问题的有效途径，最终不仅能实现无人值守工作面自动化采煤，还能保证重大装备的高效、安全、可靠运行。

3.3 大数据技术

大数据技术是针对具有海量、高增长、快速变化、极多样数据类型等特点的数据进行分析、加工的数据处理技术。这一技术能够处理常规技术难以管理和分析的低价值、高密度数据，从中提取和总结出有效目标信息，形成管理、控制和决策。由于处理过程中收集到的全部信息都被取样和分析，因此该技术的决策结果不依赖于信息收集算法，具有更高的可靠性。

液压设备负荷重，工况差，容易出现故障，且维修难度大。液压支架和乳化液管路故障都很容易导致整个工作面生产受阻。如果能够对液压设备的故障进行提前判断和预防，就能有效提高生产效率。要实现上述功能，首先需要针对设备工况采集大量信息，现有传感器技术还做不到这一点，需要物联网技术的融合来解决。同时，目前还缺乏从这样收集来的海量信息中提取和分析有效信息的手段。

大数据技术可以解决数据处理这一难题。在液压支架电液控制系统中应用大数据技术，就是采用大数据技术分析液压设备工况信息，从而提高电液控制系统中寿命管理功能模块的性能。这就需要在电液控制技术中，将大数据技术同物联网技术结合起来。物联网技术实现了装备运行状态信息的检测和无线传输、收集，所形成的巨量数据内容，就需要采用大数据技术进行分析、处理和融合，以更好地为系统中的设备服务。

将结合了物联网技术、网络技术和云计算技术的大数据技术应用于电液控制技术当中，能够让电液控制系统真正实现液压支架故障预测和全周期寿命管理功能，这些功能可以提高液压设备维护、检修的效率，延长设备的使用寿命，进而提高煤矿生产效率，在产生经济效益的同时还有助于保证井下工人安全。

3.4 智能控制技术

煤矿环境复杂多变，且电液控制系统中控制对象众多，传统控制技术不但不能满足不同矿井条件和采煤工艺的特定控制需求，也难以满足采煤工艺中常见的工作面校直、顶板找平等功能的灵活需求。为使煤矿生产效率进一步提高，在全工作面自动化控制技术的发展进程中，对智能控制技术提出了需求。

智能技术包括模糊逻辑控制[50]、神经网络控制、专家系统、遗传算法等。以智能控制为核心的智能控制系统具备一定的智能行为，如：自学习、自适应、自组织。智能控制技术应用于不确定、非线性、参数相互耦合的控制对象时，能产生理想的控制效果。液压支架正是具有这些属性的设备[51]。因此，智能控制技术对电液控制系统有很强的针对性。

智能控制技术与电液控制技术的融合就是利用智能控制技术改进电液控制系统的控制策略，具体体现在控制过程中的多个方面。模糊控制可以缓解控制过程中对液压支架及其它控制对象的控制策略建模难的问题[52]；神经网络则可以为控制过程中的不确定性提供更高的容错度，同时增强对变化因素的适应能力；专家控制则能提高控制精度，增强故障诊断能力。采用这些智能控制策略，能让电液控制系统的工作面校直找平、自动追机拉架等功能获得突破，也能在支架处于不同姿态时依然保证各动作的控制精度，是大大提高电液控制技术自动化程度的契机。

笔者认为，应把上述4大技术作为电液控制技术的融合方向：在数据传输层面运用网络技术，实现信息资源、计算资源的全面共享；在信息感知层面运用物联网技术，完成状态量的全面监测和高效无线传输；在数据处理和应用层面运用大数据和智能控制技术，保证信息的高效处理和动作的精准控制，并形成完备的故障诊断和寿命周期管理功能。这些技术的融合是紧密交织在一起的，互相依赖和促进，最终成为一个整体，共同为无人值守工作面自动化生产服务。这种融合对于发展集中控制、自动制导、故障自诊断和全寿命周期管理等技术都有着巨大的促进作用，能够切实提高电液控制系统产品的技术水平。

4 结论

液压支架电液控制技术是自动化综采工作面的重要象征，对提高生产效率、保障生产安全有着至关重要的作用，是无人值守自动化采煤技术的核心技术。液压支架电液控制系统起源于英国，并迅速在全球发展并走向成熟。该技术在我国起步较晚，但21世纪初出现的SAC型和ZDYZ型系统已经达到、部分超过了世界先进水平。但在高端功能和可靠性、智能化方面，德国依然是液压支架电液控制技术发展的中心，国内研究则依然存在较大追赶空间。

液压支架电液控制技术当前的主要研究内容是基于顺槽计算机的集中控制技术和无人值守综采工作面液压支架自动化控制技术。针对集中控制技术，已经进行了较长时间的研究，研发了成熟的基于计算机、以太网和传感器的集中控制电液控制系统，并配合井下摄像头实现可视化、信息化的无人值守采煤技术，但是这种技术还不能实现工作面所有设备的完美整合。自动化控制技术的研究还较为落后，不能实现具有较大适用范围的无人值守自动化功能。

无人值守工作面自动化采煤技术是未来的发展方向，为实现这一目标，液压支架电液控制技术被提出了更高的技术要求，包括在通讯系统和传感器技术上更好的与工作面其它设备形成良好的互相感知，更加精确的液压支架位置和姿态控制，更快的控制速度，更有针对性的控制策略等。本文研究认为，要完成这些要求，未来的综采自动化工作面的电液控制技术就需要与网络技术、物联网技术、大数据技术和智能控制技术融为一体。随着这些技术的融合和不断完善，液压支架电液控制技术才能在未来完全实现无人值守和集中控制，实现全周期寿命管理和故障诊断与排除，实现智能控制和控制策略的自适应，最终实现控制系统的智能化、实现无人值守工作面自动化生产。

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