ZFS3300型液压支架控制系统的设计研究

2021-08-14王岱

江西煤炭科技 2021年3期

王岱

（晋能控股集团设计研究有限责任公司，山西大同 037000）

1 概述

同煤集团塔山煤矿在建设智慧煤矿时，高精度、智能化的井下开采设备相继投入使用，但设备的控制系统建设相对落后，不能完全满足自动化智能化需求。目前投入使用的ZFS3300 型液压支架工作环境复杂，操作人员无法直接在工作面上进行就地控制液压支架的动作，且由于工艺需要，液压支架在特定阶段需要带压移位，而人工操作精度低，效率不高，无法保证液压支架的动作安全有效。据此，决定对ZFS3300 型液压支架进行自动化控制系统设计改造，以解决当前存在的问题。

2 液压支架自动化控制系统功能要求

2.1 ZFS3300型液压支架存在的问题

ZFS3300 型液压支架采用就地控制方式，目前支架组移架时间无法匹配当前采煤机牵引速度，采煤连续性无法保障。在升液压支架过程中，由于工作面煤层结构复杂，人工调整液压支架压力存在冒顶风险。另外由于ZFS3300 型液压支架无自动功能，在移架过程中出现特殊情况时无法自动停车，可能增大事故发生风险。

2.2 液压支架的新功能要求

（1）液压支架自动化控制功能

液压支架需配合采煤机和运输机同时使用。随着采煤机的掘进前移，液压支架也应随着行进，液压支架行进过程涉及到拉架、护帮等工序，人工操作不仅效率低，还容易出现安全事故。液压支架的自动化移位控制功能显得尤为必要。

（2）自动停车功能

液压支架在支护过程中，尤其是在移架过程中，会碰到各种情况，液压机的故障和综采工作面的紧急情况，都可能导致支护事故的发生。这就需要液压支架能准确判断当前工况，在可能导致事故发生的情况下作出合理的停车措施。紧急停车功能需要设置为自动和手动两种控制模式。紧急停车按钮需要将液压支架各类控制器进行集成，达到一键安全停车，停车动作需要液压支架自动控制系统按照逻辑设定执行。

3 液压支架自动化控制系统方案

3.1 自动控制系统总方案

根据综采工作面工况的不同，使用的液压支架数量也是不同的，不同综采阶段液压支架的支护动作也是不同的。自动控制系统要能够对所有使用的液压支架进行集中控制，以达到各液压支架相互配合的目标。在每一套液压支架上增设功能控制器，控制器采用12V 直流电源供电，采用CAN 总线控制方式进行连接通讯，控制器还具有自检功能，定时巡检自身控制程序，保证控制稳定。采用CAN 总线控制方式的优点是能够在某一液压支架控制器出现故障时，系统整体可以暂时屏蔽该控制器，保证系统的稳定有效。液压支架电控系统总体结构框架见图1。

图1 液压支架自动化控制系统总体结构框架

3.2 硬件设计选型

液压支架与采煤机配合动作功能的原理：采煤机特定位置装配一套高精度红外发射装置，用于定位采煤机在工作面的位置，同时在液压支架上装配与其配套的红外信号接收装置，通过定位采煤机位置，配合液压支架自动化功能，实现液压支架自动移架与采煤机配合工作的功能。塔山煤矿采用FYF5 型红外线发射器，与YS5 型红外线接收仪。接收仪能将接收到的红外信号转换为电信号，并将其传输到控制器中，完成位置信号采集，接受到位置信号的液压支架控制器，根据逻辑控制程序，发出液压支架移架或保持信号。红外装置性能参数见表1。

图2 FYF5 型红外发射装置（a）和YS5 红外接收装置（b）

表1 红外装置性能参数

3.3 通讯方案

液压支架数量较多，传输到总控制器的信号信息相对复杂，自动控制系统采用CAN 总线通讯方式实现信号传输，按照功能分，通讯信号主要包括三类：液压支架压力、支护高度、支护强度等“状态信号”；上位机输入信号以及处理器输出信号等具有控制作用的“控制信号”；应对紧急情况发生时具有最高优先级的“紧急信号”。同时系统设计了CAN离线报警程序，主要通过离线寄存器对系统设备信息进行周期扫描。若发现离线设备，并对该设备设置的离线确定时间后，判定为非正常离线，并进行报警。报警程序逻辑见图3。

图3 CAN 通讯方案中设备离线报警程序

4 测试效果分析

在投入井下应用前，塔山煤矿机电科针对ZFS3300 型液压支架自动控制系统进行了功能性测试，首先在原有液压支架控制系统中，增加自动控制组件，通过外部输入不同模拟型号，液压支架自动控制系统实现对液压支架的升降和移行等动作，同时监控系统也能进行准确实时的状态显示。

测试组确定，降低二号液压支架的立柱缸压后，自动控制系统及时报警，且进行停车控制。对三号液压支架进行人为强制离线后，系统在3 秒内发出声光报警，并在控制界面显示出三号液压支架离线信息。通过测试，针对塔山煤矿ZFS3300 型液压支架设计的自动控制系统，功能有效，控制稳定。该系统于2019年7月首次应用于2101 综采工作面，经过一年测试运行，证实功能性和稳定性都满足塔山煤矿液压支架控制需求，应用现场照见图4。