综采工作面人员定位与液压支架协同控制系统方案设计分析

傅育繁

（晋能控股煤业集团挖金湾煤业有限公司，山西 大同 037003）

引言

在井下综采工作面运用智能化的控制系统时，通常采煤机、刮板输送机以及相应的液压支架等都会在设定的程序下开始运行，假如出现一定的问题，那么将会给工作面巡检人员带来较大的安全隐患。因此，为了能够避免工作面工作人员不再受到威胁，同时结合井下定位系统，进而设计出综采工作面液压和工作人员系统互动的系统，并对形成的联合闭锁控制形式展开分析。

1 智能化工作面液压支架与人员定位协同系统

1）智能化综采工作面液压支架电控单元与人员定位精度识别系统传输信息的过程中，可以借助无连接通信协CSC实现信息传输。其工作过程由定位系统将采集到的人员信息与工作人员所处位置的液压支架架号等信息实时传输给液压支架电控控制单元。

2）在智能化综采工作面控制中心应用数据库时，能够有效地处理定位系统中的相关信息，同时系统会对巡检工作人员位置信息与相配的液压支架信息进行保存，同时系统能够自动生产电子数据表格，从而可以将其作为液压支架解闭锁数据的重要依据。

3）在综采工作面布置可视化的液压支架电控单元，相关工作人员可以借助定位单元读取数据库中的信息，同时将获得信息在系统内进行可视化处理，这样方便工作人员查看支架信息、此外，可以把与液压支架架号匹配的人员动态信息传输给液压支架控制单元，当发现数据出现异常时，那么将直接闭锁工作人员所在的支架。图1液压支架电控系统上位机人员定位信号传输流程。

图1 液压支架电控系统上位机人员定位方案

2 人员定位与液压支架协同安全控制系统各分系统设计

2.1 人员定位高精度识别系统设计

人员定位高精度识别系统，包括如下几个模块：智能综采工作面定位基站模块、支架控制装置、高精度定位服务器模块、液压支架控制主机[1]。一般需要在工作面支架按照人员定位基站，从而该基站能够将信号遍布整个工作面，其定位精度可以控制在30 cm以内。假如发现佩戴者定位器的工作人员的信息时，这时基站可以发出5 m/s的动态识别信息，进而能够在最快的时间内识别工作人员的位置，与此同时将该信息出输给定位基站，这样基站定位工作人员的信息可以经过基站实施传输给定位器，接着服务器将处理后的信息实施传输给液压支架控制单元，经过信息的处理后，可以将信息传输给液压支架，进而实现解闭锁控制。

2.2 智能化综采工作面区域控制划分

对于综采工作面而言，往往需要对如下四个区域进行重点检查：

在采煤机前滚筒附近，需要实时监测滚筒顶部高度、采煤机速度。在采煤机的后滚筒附近，对滚筒底部位置进行实施监控。在跟机收护帮液压支架后方，这时巡检工作人员需要控制液压支架的守护帮动作。在跟机移溜液压支架控制前方位置，巡检工作人员对液压支架移溜进行操作。同时需要对不同的区域设置相应的巡检工作人员进行维护操作。

依据智能化综采工作面的控制需要，可以将液压支架控制单元设置为三个区域：区域A为：液压支架移溜区，区域B为：液压支架移架区，区域C为液压支架收护帮区，如图2所示。

图2 工作面自动控制及人员分布区域划分

当采煤机位置工作面实施采煤的过程中，通常液压支架将会随着跟机运动，这时巡检人员在采煤机前工作时，往往需要随着采煤机运动并且进行相应的操作，经过调研发现在如下两种状态下跟进机液压支架动作与相应的工作人员位置支架闭锁发生冲突：

1）当出现4号区域与A区域发生重叠，而4号区域处于跟机操作状态，那么液压支架处于闭锁状态，将导致出现后方跟机推溜液压支架在发生推溜时出现重叠动作。位于区域A时，跟机推溜支架与4号将随着架号的增加而出现距离变小的现象。此外，由于巡检工作人员位于闭锁支架理论位置时必须最大限度的缩短解锁时间[2]。

2）当2号区域、B区域发生重叠时，在2号的工作人员进行跟机操作时，而液压支架处于闭锁状态。假如位于B位置的液压支架在实现跟机移架时，那么将出现两个区域位置越来越近的情况，最终出现重叠的现象。

2.3 支架解、闭锁联合协同控制设计方案

2.3.1 闭锁控制设计

该系统将人员位置信息精确地传给液压支架控制单元，经过系统处理之后的信息，再次传输给支架控制单元。

实现原理：经过采集工作人员的定位信息，并且对其进行处理之后，系统能够将对应支架的工作人员动态变量设置为1，假如电控系统经过计算发现支架对象模型参数发生变化时，将该参变量传输给相应的架号的液压支架，与此同时发出闭锁指令，从而实现对巡检工作人员所在支架的控制，与此同时可以实现闭锁控制，如图3所示的上位机闭锁控制设计流程图。

图3 液压支架电控系统上位机闭锁控制设计流程图

2.3.2 解锁控制设计

该控制系统在工作的过程中，位于井下的工作人员通过跟机操作，其可以有效地保证巡检支架处于闭锁的工作状态。那么当巡检工作人员在跟进过程中，该系统将解锁闭锁支架。通常该解锁形式有如下两种：主动解锁形式、被动解锁形式[3]。

1）在进行跟机操作时，被动解锁巡检工人离开工作位置后，高精度定位服务器不在进行反馈调节。通常在系统内部设置有5 s未接收到上位机数据信息响应机制，当出现超过5 s未收到信号时，系统自动人员已经离开该位置。图4支架被动解锁理图。

图4 支架被动解锁控制原理图

2）对于主动解锁高精度定位服务器而言，其能够不间断地向上位机传输人员定位信息，间隔时间为1 s。当系统上位机接收到信号后，每间隔3 s时间向支架控制装置传输1条闭锁指令，同时控制装置间隔3 s进行1次闭锁操作。当巡检工作人员继续跟机操作后，该定位服务系统不在向上位机传输工作人员的位置信息，其中持续时间达到5 s并未接受信号后，相应的上位机在内部设定的程序进行判断指出工作人员已经离开支架，相应的支架控制装置可以依据在其内部设置的程序指令实现自动解锁功能。假如系统为主动解锁功能下，相应的支架控制器装置不需要上位机所发出的命令，从而能够实现自动解锁功能。

2.3.3 实时定位以及实现系统协同控制

为了使得闭锁状态下的液压支架实现跟机，必须在跟机动作之前实现液压支架解锁。由此可以看出该系统必须能够精确地计算出支架控制装置的解锁延迟时间上限。通过分析图1可以发现巡检工作人员与采煤机能保持一致。当采煤机进行采煤的过程中必须保证巡检工作人员的运动速度与采煤机的进度保持一致。假如巡检工作人员不能与采煤机保持同步时，延缓人员定位服务器将停止给系统上位机发送信息，导致延迟液压支架解锁时间。因此为了能够有效地使得巡检工作人员在在一个跟机时间内完成解锁液压支架的动作，必须保证巡检工作人员的速度与液压支架主动解锁时间小于2号巡检工行动与2号采煤机司机行动内的支架控制自动解锁时间。

3 结语

1）结合智能综采工作面与人员定位精度识别系统，同时需要充分考虑综采工作面液压支架控制单元与液压支架执行装置，进而设计出智能综采工作面安全控制系统。

2）经过工程实践对某矿智能化综采工作面进行观察发现，该系统能够按照设定的指令发出动作。经过调研发现，系统在解锁方面的反应时间大于理论值，其误差在5~7 s之间，主要是由于无线电传输过程中信号不良所致。在进行测试的过程中，该设计方案依旧存在一定的问题，比如巡检工作人员的位置与液压支架跟机位置重叠时，跟机人员的闭锁支架将会与跟机液压支架发生冲突，在后续的研究中能够有效地解决该问题。