SAC 型液压支架智能控制系统的分析与应用

仝部雷

（山西省煤炭职业中等专业学校（山西省煤炭职工培训中心）， 山西 太原 030012）

引言

SAC 型液压支架智能控制系统以电液控制技术为基础，通过电液换向阀将电信号转换成液压信号，实现液压支架的依据程序的自动控制。SAC 型液压支架智能控制围绕感知、传输、控制技术，进行液压支架与工作面的设备、环境、工艺、流程等多维度耦合控制技术研究，进一步增加通过对液压支架姿态、位置以及工作面设备、环境、工艺、流程、位姿的感知，提升液压支架执行机构的控制精度，进行液压支架与采煤机、刮板输送机设备之间的相互融合，实现对液压支架的智能控制功能。

1 SAC 型液压支架智能控制系统组成

SAC 型液压支架智能控制系统主要由感知、控制、执行等部件构成，由支架控制器、驱动器、压力传感器、行程传感器、采煤机位置传感器偶合器、信号转换器、电源箱、连接电缆、电液换向阀组（电磁先导阀+主阀）顺槽监控主机、远程操作装置和地面监控中心服务器等组成[1]。

工作面每台液压支架上配置一套支架控制单元，支架控制器为支架控制单元核心控制部件，支架控制单元包括支架控制器、电磁驱动器，在推移千斤顶上安装有行程传感器，用于检测支架推移行程，在立柱上安装有压力传感器，用于检测支架顶板压力，在采煤机上安装有红外发射器，在每台液压支架上安装有红外接收器，用于检测采煤机所处的位置和运行方向。

2 SAC 型液压支架智能控制系统工作原理

SAC 型液压支架智能控制系统通过在液压支架上布置大量的感知元件，对液压支架运行工况进行实时在线检测，实现液压支架与采煤机、刮板输送机、泵站的耦合控制，实现液压支架对工作面的围岩耦合支架控制器是SAC 型液压支架智能控制系统的核心部件，支架控制器内置计算机系统，在支架控制器上设置有总线和邻架线两个通道的通信链路，支架控制器可以接收来自邻架和远程终端设备发出的指令，通过其内置的计算机控制程序进行解析，向本架驱动器发出支架动作控制指令，驱动器导通对应的电磁先导阀，将电信号转换成液压信号，并通过主阀将液压信号放大，推动油缸动作，从而实现对液压支架的控制。在液压支架动作过程中，通过检测相关传感部件，以确定停止油缸动作的时机。

为了满足现场安装使用与维修需求，支架控制器可以将人机交互组件和驱动组件单独分离出来，形成了人机界面、驱动器等多种结构形式。早期煤科总院太原研究院研制的JKT1 型和YLT 型的支架控制器，采用直接驱动电磁先导阀的控制模式。SAC 型液压支架智能控制系统采用ZDYZ 型系列支架控制器。具有适合于薄煤层使用的一体化控制器，适用于中厚煤层使用的16 功能控制器、20 功能控制器+人机界面和适应大采高、放顶煤使用的26 功能控制器+驱动器等多种形式。前两种形式控制器直接驱动电磁先导阀进行控制，26 功能控制器既可直接驱动16 功能8 组电磁先导阀，也可带电磁驱动器驱动26 功能13 组电磁先导阀。

3 SAC 型液压支架智能控制系统功能

3.1 基本功能

SAC 型液压支架电液控制系统具有本架单动作程序控制功能，可以实现本架推溜动作的程序控制；具有邻架单动作控制功能，可以实现单动作连锁控制；具有单架程序控制功能，可以实现单架自动移架程序控制；具有成组控制功能，可以实现成组支架的护帮板收/伸动作控制、成组支架自动化移架控制，程序支架推溜动作控制；具有急停、闭锁、停止等安全操作功能；具有顺槽监控中心和地面的远程操作控制功能[2]。

3.2 智能控制功能

1）智能补压控制。通过在液压支架立柱上安装压力传感器，可以实时检测液压支架对工作面顶板的支撑压力，当液压支架立柱油缸由于密封件损坏、液压阀损坏等问题出现泄漏，导致液压支架对工作面顶板支撑压力不足时，电液控制系统将自动启动支架升柱功能，使液压支架对工作面顶板支撑压力达到预先设定的初撑力，确保工作面顶板的支撑压力，从而实现工作面围岩智能耦合。

2）液压支架跟机控制。液压支架可以根据采煤机位置，依据采煤工艺，自动完成工作面液压支架的收伸护帮板、移架、推溜等动作，随着采煤机速度的不断变化，液压支架将会自动调节跟机移架支架同时动作的数量，并提出泵站供液能力需求

3.3 远程遥控与集中控制功能

1）液压支架遥控。通过将无线通信方式接入到支架控制器中，使用支架遥控器进行液压支架的动作控制，进行人员定位与安全管理技术研究，针对全向天线垂直能量分布实现基于RSS 定位智能识别，对操作人员进行自主定位，将操作人员所在支架进行软件闭在方便操作的同时，确保操作人员的安全性能，遥控方式特别适合薄煤层和大采高场用[3]。

2）液压支架远程集中控制。将工作面液压支架控制系统数据、视频、语音信息集中传输到大巷监控中心或地面调度室的计算机上，依据支架监控系统数据画面，视频画面，并通过建立液压支架模型和工作面相关设备、矿井环境模型，将工作面数据汇集，驱动三维仿真模型，实现工作面的在线模拟仿真，操作人员可以从不同的视角观察工作面设备的运行状况，并通过远程操作装置，对液压支架自动化动作进行远程干预控制。

4 SAC 型液压支架智能控制关键技术

SAC 型液压支架智能控制系统实现液压支架智能感知、数据汇集、大数据分析、控制模型与反馈控制，通过对运行工况环境的分析与学习，使设备具有自主学习能力，提高设备的自适应性能。

4.1 SAC 型液压支架姿态智能化控制

4.1.1 支架姿态控制及其防倾倒智能化控制

在液压支架的底座、顶梁、掩护梁、前连杆等结构上安装倾角传感器，可以准确地描绘液压支架的姿态，可以实现液压支架运行姿态的在线检测。对于大采高液压支架来说，随着采高的加大，质量加大，重心加高，其稳定性较普通液压支架差，更容易发生倾倒等问题。通过液压支架重心计算模型，可以得到液压支架在各种姿态下的重心轨迹曲线，支架的重心位置越低，液压支架所处的状态就越稳定，在液压支架护顶等相关约束条件下，在液压支架控制程序中建立自我学习决策能力，可以实现液压支架防倾倒的智能控制功能。当液压支架在某种姿态下重心偏离稳定区域时，将自动启动保护模式，使液压支架自动控制到与其姿态最接近稳定区域的一种姿态。

4.1.2 支架护帮板姿态控制及其围岩耦合智能控制

在液压支架的一级护帮板上安装行程传感器，通过控制一级护帮板行程，防止片帮煤垮落到支架内。同时在液压支架跟机收回护帮板的过程中，多架的护帮板可以逐次收回，以提高护帮板的收回速度，确保液压支架护帮板收回动作与采煤机速度相匹配。同时，三级护帮板上安装接近传感器，当三级护帮板完全收回到位时，发出检测信号防止护帮板结构件未收到位造成的结构件干涉碰撞损坏。

在液压支架的一级护帮板上安装压力传感器，通过控制一级护帮板顶在煤壁上的支撑压力，实现护帮板对煤壁的主动支撑，当对煤壁的支撑压力不足时，将自动开启补压功能以保证液压支架护帮板对煤壁达到有效的支撑力，与液压支架立柱的自动补压功能可以共同完成对工作面顶板和煤壁的有效管理，从而实现液压支架的围岩智能耦合。同时，还可以防止在液压支架在护帮板收回后有大块煤垮落砸坏立柱油缸或卡在支架与电缆槽之间造成支架无法推移等事故。

4.2 矿压分析与工作面周期来压智能预报

通过将工作面推进过程中的压力数据进行数据清洗、筛选、分析，找出工作面顶板压力变化的内在规律，对工作面支护质量及支护效果进行评价，对工作面周期来压进行智能预报的研究探索

4.3 SAC 型液压支架与采煤机的耦合智能化控制技术

利用红外发射和接受装置，可以实现工作面采煤机的准确定位，同时将采煤机智能控制系统的采煤机位置参数通过自动化综合系统传输到液压支架智能控制系统中，实现采煤机位置的冗余检测，提高采煤机位置的可靠性。

液压支架将采煤机前方护帮板收回信息及时报送采煤机控制系统，液压支架与采煤机几何位置耦合，防碰撞智能控制。

移架后，自动完成支架推溜控制。为了提高跟机自动化的可靠性与稳定性，采用“机架协同”方式实现跟机自动化控制，采煤机依据液压支架动作完成情况控制采煤机割煤，如其条件未达成将设备挂起，处于等待阶段，等条件具备后再执行下一步的工作，从而提高设备成套化自动化的自适应能力，使其生产过程效率最大化。

4.4 SAC 型液压支架与泵站系统的耦合智能化控制技术

在工作面主管路上安装压力传感器，对液压支架供液系统状态进行感知，对供液系统行情况进行评价，并可以依据工作面液压支架动作需求，对泵站系统及时提出供液需求以确保液压支架动作快速准确。当提高采煤机速度时，跟机过程中需要更多的液压支架同时动作才能保证跟机移架护顶，同时在泵站供液系统能力保持不变时，将使工作面的压力衰减，从而会影响工作面液压支架的移架速度。因此，依据液压支架跟机速度的要求，液压支架电液控制系统向泵站控制系统提出了液压支架同时动作数量的供液需求，泵站控制系统应根据该需求，决定开启泵站的数量，从而保证工作面液压支架在多架动作时能够在规定时间内完成支架的推移动作，实现液压支架与泵站供液系统的智能调度。

4.5 SAC 型液压支架与刮板输送机系统的耦合智能化控制

液压支架推溜动作需要依据刮板输送机的负荷进行智能控制，当刮板输送机负荷达到规定的阈值时，电液控制系统将液压支架推溜动作挂起，当其负荷小于规定阀值时，再次启动推溜动作，从而实现液压支架与刮板输送机的智能耦合控制。

5 实践应用分析

SAC 型液压支架智能控制系统在云冈矿、西曲矿、寺河矿等大型煤矿进行了实践应用，该系统的应用满足了矿井工作面生产智能化和自动化的要求，起到了提产增效的积极作用，为煤矿企业创造了较好的社会安全效益和经济效益，可以在全国煤矿进行推广应用。