液压支架工作面自动化控制系统的设计实现

张晓娟，李鹏飞

（1.晋能控股煤业集团虎龙沟煤业有限公司，山西 朔州 038300；2.晋能控股煤业集团马脊梁矿，山西 大同 037001）

引言

煤炭是重要的能源形式，对工业及经济的发展具有重要的支撑作用，煤矿产业生产效率的持续提升是煤矿生产的重点研究对象。在煤矿的开采过程中，液压支架是广泛使用的支撑设备，对工作面的支护及推进具有重要的作用，液压支架与采煤机、刮板输送机等进行协同作业进行煤炭的开采[1]。液压支架的自动化是实现采煤作业的自动化及煤矿智能化开采的关键步骤。

液压支架在工作过程中，需要自身独立控制及与其他设备之间的协同控制，液压支架的自动化控制主要针对电液系统进行控制[2]。从相邻设备的控制向自动化集中控制的方式发展，是实现工作面自动化控制的主要方式。

1 液压支架自动化控制系统的整体设计

针对液压支架进行电液系统的控制，是实现液压支架工作面自动化控制的最佳方式，考虑煤矿的智能化发展，对液压支架的自动控制系统进行整体设计如图1 所示。液压支架自动化控制系统的网络架构包含四个级别[3]，分别为地面的监测层、井下防爆计算机的监控层、液压支架端头控制器的监控层及液压支架控制器的监控层。

图1 液压支架自动化控制系统整体方案架构

液压支架的控制器与液压系统的先导阀及液压支架传感器相连，直接对液压支架的动作进行控制并进行实时监测，显示并输出液压支架的状态参数。端头控制器是液压支架自动化控制系统的重要组成，是进行系统信息传输的关键单元[4]。其作为井下监控网络的中间组成，进行信息的传输及采集，并可对液压支架控制器进行远程的指令下发及状态查询，并可响应防爆计算机的指令，执行相应的功能。井下的防爆计算机为系统井下部分的最高监控层，具有丰富的人机交互界面，可通过端头控制器实现对液压支架的远程控制，并查询现场的参数信息。地面的监控层仅具有远程监控的功能，而不能对井下的液压支架进行远程控制，这是为了保证井下设备的安全[5]，避免出现地面层的指挥错误，地面层的数据通过地面交换机及井下的防爆光纤交换机进行数据的传输及信息的交换。

2 液压支架自动化控制系统关键功能的设计实现

2.1 控制系统端头控制器通信系统的设计实现

由于液压支架井下综采工作面的环境恶劣，具有较强的电磁干扰，对控制系统的通信要求具有良好的实时性及抗干扰性，保证系统信息传输的可靠性。结合井下工作面的环境条件，选用RS485 总线通信的形式进行系统的通信设计。RS485 总线通信采用信号线之间的高低点评进行数据的判定，具有较好的抗干扰能力[6]。这种通信方式可使控制系统的通信距离达数千米，满足井下综采工作面长距离的传输需求。

控制系统的端头控制器作为上传下达的中间层，对其通信能力具有较高的要求。端头控制器内部集成RS485 及CAN 总线两种接口形式，其通信接口按照图2 所示的结构进行设计。两种总线的通信可通过软硬件的配置实现切换互通，每个通信线路设置两路，分别对井下的防爆计算机及液压支架控制器进行通信连接。系统连接中采用双绞线的设置，在接口处设置有拨码开关对总线的通断进行控制，从而对通信的外部切换进行控制。

图2 端头控制器通信接口设置

2.2 液压支架状态感知在线监测系统的设计实现

对液压支架进行自动化的控制，需要实时地感知液压支架的状态，对现场的信息进行采集并上传，同时在人机交互界面上可对液压支架的信息进行查询，从而利用现场的信息进行液压支架的自动化控制。依据液压支架的结构特征及作业特点，对液压支架的参数感知信息设定如图3 所示。参数信息包含两个部分，一部分为经过传感器进行采集的液压支架模拟量数据，包括液压支架的压力、位移量及采煤机所在的支架编号；另一部分为液压支架的控制系统的工作状态数据，包括控制模式、是否存在急停支架、液压支架的安全信息、通信信息等。

图3 液压支架的参数采集信息

依据液压支架的参数采集信息，对液压支架进行状态感知在线监测，其实现方式如图4 所示，支架的控制器连接有不同的传感器，固定地进行模拟量信息的采集。当端头控制器接收到上位机传输的查询指令时，从机的液压支架控制器将液压支架的状态信息反馈给主机的端头控制器。整个的工作面自动化控制系统接收所有端头控制器的数据，并进行分析计算存储，传输给防爆计算机，通过循环的形式对所有的端头控制器进行查询，由此可以实现对液压支架的远程控制，提高系统的集中控制功能，并可进行液压支架参数的在线查询及修改，可以减轻井下的劳动强度，提高液压支架控制效率。

图4 液压支架状态感知在线监测系统

3 结语

液压支架是进行煤矿综采的重要支护设备，液压支架的自动化控制对煤矿的自动化开采具有重要的意义。依据煤矿的智能化及信息化发展需求，并结合液压支架的电液集中控制系统，设计了具有远程控制及在线感知监测的液压支架工作面自动化控制系统。

控制系统的网络架构共分为四级，采用RS485通信的形式，具有较高的可靠性。依据液压支架自动控制系统的需求，对关键系统的功能进行了设计开发，结合煤矿的生产特点，对控制系统端头控制器通信系统进行了设计，实现对液压支架的控制，并对液压支架状态感知在线监测系统进行了设计，实现对液压支架的远程监测及控制。液压支架工作面自动化控制系统具有实用性强、可靠性高的特点，可应用于煤矿液压支架的自动控制中，降低矿井的劳动强度，提高煤矿的生产效率。