综采工作面液压支架远程控制技术研究及应用

梁云峰，刘永伟，黄 凯，毛清华

1中煤西北能源有限公司 内蒙古鄂尔多斯 017200

2西安东达马科智能控制系统有限公司 陕西西安 710075

3西安科技大学机械工程学院 陕西西安 710054

4陕西省矿山机电装备智能监测重点实验室 陕西西安 710054

在 我国矿井地质条件日渐复杂、安全生产要求愈加严格、生产环境要求逐渐提高的形势下，我国煤炭开采产业对于智能技术和设备的需求更加迫切[1-3]。液压支架作为确保煤矿安全顺利生产的重要技术核心装置，给予煤矿综采巷道顶面一定的支撑和安全保护，避免巷道内部受到开采落石的严重冲击[4]，因此，研究液压支架远程控制技术有助于推动煤矿安全高效生产，为实现煤矿智能化提供技术保障。

我国研究人员对于液压支架控制系统进行了探索与研究。郅富标[5]构建了一种液压支架控制系统，能够控制支架进行自动跟机推溜移架，实现自动化操作。牛剑峰[6]设计了一套新型液压支架跟机自动化控制系统，实现了跟机移架、推移刮板输送机和喷雾等自动化功能。高晋等人[7]构建了基于 CAN 总线通信的液压支架控制系统，通过 TCP/IP 数据传输，实现液压支架状态的远程监控。侯素红等人[8]设计了一种新型液压支架电液控制系统，采用 DSP 和 CAN 总线，实现对液压支架多种运动作业的控制。张建国等人[9]设计了液压支架集成控制平台，可使液压支架按照设定的参数进行动作，实现自适应工作，同时具备液压支架受力检测和监控功能。

上述控制系统虽然可以实现顺槽计算机集中过程监测，但是缺乏用于统一管理和监控的综采自动化控制系统软件。为全面提升煤矿远程综采生产技术装备智能化应用水平，实现煤矿的安全、高效生产，笔者就液压支架远程智能化控制技术进行深入研究，以中煤蒙大公司纳林河二号煤矿 3-1 上 102 工作面为主要技术研究背景，基于“自动化减人、智能化无人、少人则安、无人则安”的生产理念，对液压支架远程控制展开研究，为综采工作面的智能化发展提供借鉴与实践基础。

1 远程控制方案

1.1 电液控制系统总体方案设计

液压支架群组是煤矿进行机械化开采的关键性生产设备[10]。通过对煤矿井下液压支架主控计算机的智能化控制程序进行研发，使其能够智能化模拟工人操作的工艺和动作，提升电液控制系统自动化效果[11]，满足实际生产需求。

液压支架电液控制系统由就地控制器、集中控制器和液压支架远程控制系统 3 级结构组成，如图 1 所示[12]，可以实现就地、远程点动和自动控制。

图1 液压支架电液控制系统Fig.1 Electro-hydraulic control system of hydraulic support

就地控制器是液压支架控制系统的第 1 级系统，安装于综采工作面的每台液压支架上，1 台液压支架分别对应 1 台就地控制器，所有的控制命令最终由就地控制器执行，可直接驱动电磁先导阀，进而能够使支架完成推溜、移架、升降和提底等多种动作。

集中控制器是液压支架液压控制系统的第 2 级系统，其安装位置依据支架的安装位置而定，一端与远程控制计算机相连，另一端与就地控制器相连，是电液控制系统的中间环节，是液压支架远程控制系统与就地控制器之间的纽带，其功能是向就地控制器发送支架动作命令，实现对液压支架的动作控制；向就地控制器发送运行参数巡检命令，接收和保存工作面所有液压支架的运行参数。

在煤矿开采作业中引入液压支架远程控制系统，在监控主机的监控管理作用下，对煤矿井下作业设备的运行状态及各项性能指标进行远程监测，并根据监测结果进行有效控制。液压支架远程控制系统是液压控制系统的第 3 级系统，同集中控制器相连，安装于综采工作面进风巷道或回风巷道的顺槽控制中心，其主要功能为实时监测综采工作面所有液压支架立柱压力、推溜行程、支架急停闭锁状态等工作状态；可对综采工作面液压支架进行单动作和成组动作控制，结合采煤机位置，对液压支架实施自动控制；实时记录液压支架的运行状态参数，根据人工操作的工艺和动作，对实时运行状态进行模拟显示，为用户提供历史数据查询。

1.2 液压支架远程控制界面开发

通过对井下支架主控计算机的智能化控制程序进行研发，提升电液控制系统自动化效果，满足实际生产需求。采用分层技术将支架运行状态、控制和数据分析集中显示在同一界面上，如图 2 所示。

图2 液压支架控制系统操控界面Fig.2 Control interface of hydraulic support control system

该界面可实时显示综采工作面所有液压支架立柱压力、推溜行程、支架急停闭锁状态等工作状态，同时可以实时记录状态参数，实现了在井下工作面顺槽监控中心和调度室控制中心对液压支架的单机控制或一键启停。

需要进行液压支架控制时，可通过与设备的位置监测系统通信来获取液压支架的位置和移动方向，发出相应的指令 (例如牵引加减速、液压支架推溜等)，该指令通过数据通信总线与液压支架进行通信，把信号发送给液压支架，从而实现对支架的远程控制[13]。

2 基于 EtherNet/IP 的远程通信技术

以太网通信因技术可靠、成熟而得到普遍应用。EtherNet/IP 通信技术基于以太网通信技术，在物理层和数据链的线路管理层皆采用了标准以太网技术，这样使得 EtherNet/IP 可以在所有支持以太网的液压支架上无缝工作。由于 EtherNet/IP 通信技术基于标准的以太网，通信速度和传输效率较高，可实现基于计算机软件的单主多从通信，减少整个控制系统的中间环节，具有结构简单、易于维护、建设和实施，运行成本较低等特点[14]。

本系统主要采用 EtherNet/IP 通信协议，支持基于计算机软件的单主多从通信。数据按照统一标准接入和采集，实现了液压支架的通信功能，同时，EtherNet/IP 通信协议具有更好的实时性和可靠性，可实现设备的远程集成控制以及地面监控[15]。通过模拟煤矿网络的拓扑结构，液压支架实现了与工业以太网之间的互连。基于 EtherNet/IP 的通信结构如图 3 所示。

图3 通信架构Fig.3 Communication architecture

通过对煤矿井下工作面的设备接口以及协议进行升级改造，安装统一的 EtherNet/IP 智能网关，其数据均遵循中煤蒙大公司企业标准要求，由 OPC-UA服务器进行统一的采集和解析。此外搭建数据中心，通过 OPC-UA 协议实现从信息化向自动化的路径连接。通过 OPC-UA 服务器可完成设备数据的聚集、处理、储存、分发及利用。这些数据可以直接保存到实时/历史数据库中，同时也可供给 SCADA 系统用于监测监控，在此基础上开发了移动 APP，用以演示分系统、分界面，实现煤矿机电设备的监控，可实现取用数据同源[16]。

3 现场应用

该综采工作面液压支架远程控制技术已应用于纳林河二号煤矿 3-1 上 102 工作面，现场测试了液压支架的远程操作、跟机自动化、支架防干涉功能以及支架的运行状态显示功能。

液压支架的远程操控主要是在顺槽集控中心和地面调度中心分别对液压支架进行操作。液压支架的跟机自动化主要是在采煤机速度为 3～ 5 m/min 的情况下，对液压支架的跟机情况进行统计，验证支架能否跟随采煤机完成拉架推溜功能。在跟机参数设定情况下，全工作面支架跟机稳定正常。如图 4 所示，在采煤机最大速度为 12 m/min 时，系统通过隔架多架拉架的方式仍然能够跟随采煤机完成相应动作。

图4 工作面跟机自动化参数Fig.4 Automation parameters of work face following machine

支架通过推移液压缸上的传感器监测支架压力、支架高度、采煤机摇臂高度等数值，对采煤机与支架进行防干涉识别，并可进行弹窗和声音报警。液压支架配备了无线遥控器，实现了对液压支架的单架、成组、超前支架一键自移的无线遥控。

4 结语

以中煤蒙大公司纳林河二号煤矿 3-1 上 102 工作面为主要研究对象，基于液压支架的电液控制技术，针对液压支架推移过程中需要人工调节的缺点，提出了一种智能的液压支架远程控制系统方案。现场应用结果表明，该系统实现了对液压支架状态的全方位监测以及远程控制，同时可以实现液压支架的单架、成组跟机自动化，明显提高了工作面支架的移架速度及工作效率，降低了煤矿井下工作者的劳动强度，为煤矿高产高效安全开采奠定了基础。