梁云峰，劉永偉，黃 凱，毛清華

1中煤西北能源有限公司 內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017200

2西安東達馬科智能控制系統(tǒng)有限公司 陜西西安 710075

3西安科技大學機械工程學院 陜西西安 710054

4陜西省礦山機電裝備智能監(jiān)測重點實驗室 陜西西安 710054

在 我國礦井地質(zhì)條件日漸復雜、安全生產(chǎn)要求愈加嚴格、生產(chǎn)環(huán)境要求逐漸提高的形勢下，我國煤炭開采產(chǎn)業(yè)對于智能技術和設備的需求更加迫切[1-3]。液壓支架作為確保煤礦安全順利生產(chǎn)的重要技術核心裝置，給予煤礦綜采巷道頂面一定的支撐和安全保護，避免巷道內(nèi)部受到開采落石的嚴重沖擊[4]，因此，研究液壓支架遠程控制技術有助于推動煤礦安全高效生產(chǎn)，為實現(xiàn)煤礦智能化提供技術保障。

我國研究人員對于液壓支架控制系統(tǒng)進行了探索與研究。郅富標[5]構建了一種液壓支架控制系統(tǒng)，能夠控制支架進行自動跟機推溜移架，實現(xiàn)自動化操作。牛劍峰[6]設計了一套新型液壓支架跟機自動化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了跟機移架、推移刮板輸送機和噴霧等自動化功能。高晉等人[7]構建了基于 CAN 總線通信的液壓支架控制系統(tǒng)，通過 TCP/IP 數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)液壓支架狀態(tài)的遠程監(jiān)控。侯素紅等人[8]設計了一種新型液壓支架電液控制系統(tǒng)，采用 DSP 和 CAN 總線，實現(xiàn)對液壓支架多種運動作業(yè)的控制。張建國等人[9]設計了液壓支架集成控制平臺，可使液壓支架按照設定的參數(shù)進行動作，實現(xiàn)自適應工作，同時具備液壓支架受力檢測和監(jiān)控功能。

上述控制系統(tǒng)雖然可以實現(xiàn)順槽計算機集中過程監(jiān)測，但是缺乏用于統(tǒng)一管理和監(jiān)控的綜采自動化控制系統(tǒng)軟件。為全面提升煤礦遠程綜采生產(chǎn)技術裝備智能化應用水平，實現(xiàn)煤礦的安全、高效生產(chǎn)，筆者就液壓支架遠程智能化控制技術進行深入研究，以中煤蒙大公司納林河二號煤礦 3-1 上 102 工作面為主要技術研究背景，基于“自動化減人、智能化無人、少人則安、無人則安”的生產(chǎn)理念，對液壓支架遠程控制展開研究，為綜采工作面的智能化發(fā)展提供借鑒與實踐基礎。

1 遠程控制方案

1.1 電液控制系統(tǒng)總體方案設計

液壓支架群組是煤礦進行機械化開采的關鍵性生產(chǎn)設備[10]。通過對煤礦井下液壓支架主控計算機的智能化控制程序進行研發(fā)，使其能夠智能化模擬工人操作的工藝和動作，提升電液控制系統(tǒng)自動化效果[11]，滿足實際生產(chǎn)需求。

液壓支架電液控制系統(tǒng)由就地控制器、集中控制器和液壓支架遠程控制系統(tǒng) 3 級結(jié)構組成，如圖 1 所示[12]，可以實現(xiàn)就地、遠程點動和自動控制。

圖1 液壓支架電液控制系統(tǒng)Fig.1 Electro-hydraulic control system of hydraulic support

就地控制器是液壓支架控制系統(tǒng)的第 1 級系統(tǒng)，安裝于綜采工作面的每臺液壓支架上，1 臺液壓支架分別對應 1 臺就地控制器，所有的控制命令最終由就地控制器執(zhí)行，可直接驅(qū)動電磁先導閥，進而能夠使支架完成推溜、移架、升降和提底等多種動作。

集中控制器是液壓支架液壓控制系統(tǒng)的第 2 級系統(tǒng)，其安裝位置依據(jù)支架的安裝位置而定，一端與遠程控制計算機相連，另一端與就地控制器相連，是電液控制系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)，是液壓支架遠程控制系統(tǒng)與就地控制器之間的紐帶，其功能是向就地控制器發(fā)送支架動作命令，實現(xiàn)對液壓支架的動作控制；向就地控制器發(fā)送運行參數(shù)巡檢命令，接收和保存工作面所有液壓支架的運行參數(shù)。

在煤礦開采作業(yè)中引入液壓支架遠程控制系統(tǒng)，在監(jiān)控主機的監(jiān)控管理作用下，對煤礦井下作業(yè)設備的運行狀態(tài)及各項性能指標進行遠程監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果進行有效控制。液壓支架遠程控制系統(tǒng)是液壓控制系統(tǒng)的第 3 級系統(tǒng)，同集中控制器相連，安裝于綜采工作面進風巷道或回風巷道的順槽控制中心，其主要功能為實時監(jiān)測綜采工作面所有液壓支架立柱壓力、推溜行程、支架急停閉鎖狀態(tài)等工作狀態(tài)；可對綜采工作面液壓支架進行單動作和成組動作控制，結(jié)合采煤機位置，對液壓支架實施自動控制；實時記錄液壓支架的運行狀態(tài)參數(shù)，根據(jù)人工操作的工藝和動作，對實時運行狀態(tài)進行模擬顯示，為用戶提供歷史數(shù)據(jù)查詢。

1.2 液壓支架遠程控制界面開發(fā)

通過對井下支架主控計算機的智能化控制程序進行研發(fā)，提升電液控制系統(tǒng)自動化效果，滿足實際生產(chǎn)需求。采用分層技術將支架運行狀態(tài)、控制和數(shù)據(jù)分析集中顯示在同一界面上，如圖 2 所示。

圖2 液壓支架控制系統(tǒng)操控界面Fig.2 Control interface of hydraulic support control system

該界面可實時顯示綜采工作面所有液壓支架立柱壓力、推溜行程、支架急停閉鎖狀態(tài)等工作狀態(tài)，同時可以實時記錄狀態(tài)參數(shù)，實現(xiàn)了在井下工作面順槽監(jiān)控中心和調(diào)度室控制中心對液壓支架的單機控制或一鍵啟停。

需要進行液壓支架控制時，可通過與設備的位置監(jiān)測系統(tǒng)通信來獲取液壓支架的位置和移動方向，發(fā)出相應的指令 (例如牽引加減速、液壓支架推溜等)，該指令通過數(shù)據(jù)通信總線與液壓支架進行通信，把信號發(fā)送給液壓支架，從而實現(xiàn)對支架的遠程控制[13]。

2 基于 EtherNet/IP 的遠程通信技術

以太網(wǎng)通信因技術可靠、成熟而得到普遍應用。EtherNet/IP 通信技術基于以太網(wǎng)通信技術，在物理層和數(shù)據(jù)鏈的線路管理層皆采用了標準以太網(wǎng)技術，這樣使得 EtherNet/IP 可以在所有支持以太網(wǎng)的液壓支架上無縫工作。由于 EtherNet/IP 通信技術基于標準的以太網(wǎng)，通信速度和傳輸效率較高，可實現(xiàn)基于計算機軟件的單主多從通信，減少整個控制系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)，具有結(jié)構簡單、易于維護、建設和實施，運行成本較低等特點[14]。

本系統(tǒng)主要采用 EtherNet/IP 通信協(xié)議，支持基于計算機軟件的單主多從通信。數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一標準接入和采集，實現(xiàn)了液壓支架的通信功能，同時，EtherNet/IP 通信協(xié)議具有更好的實時性和可靠性，可實現(xiàn)設備的遠程集成控制以及地面監(jiān)控[15]。通過模擬煤礦網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構，液壓支架實現(xiàn)了與工業(yè)以太網(wǎng)之間的互連。基于 EtherNet/IP 的通信結(jié)構如圖 3 所示。

圖3 通信架構Fig.3 Communication architecture

通過對煤礦井下工作面的設備接口以及協(xié)議進行升級改造，安裝統(tǒng)一的 EtherNet/IP 智能網(wǎng)關，其數(shù)據(jù)均遵循中煤蒙大公司企業(yè)標準要求，由 OPC-UA服務器進行統(tǒng)一的采集和解析。此外搭建數(shù)據(jù)中心，通過 OPC-UA 協(xié)議實現(xiàn)從信息化向自動化的路徑連接。通過 OPC-UA 服務器可完成設備數(shù)據(jù)的聚集、處理、儲存、分發(fā)及利用。這些數(shù)據(jù)可以直接保存到實時/歷史數(shù)據(jù)庫中，同時也可供給 SCADA 系統(tǒng)用于監(jiān)測監(jiān)控，在此基礎上開發(fā)了移動 APP，用以演示分系統(tǒng)、分界面，實現(xiàn)煤礦機電設備的監(jiān)控，可實現(xiàn)取用數(shù)據(jù)同源[16]。

3 現(xiàn)場應用

該綜采工作面液壓支架遠程控制技術已應用于納林河二號煤礦 3-1 上 102 工作面，現(xiàn)場測試了液壓支架的遠程操作、跟機自動化、支架防干涉功能以及支架的運行狀態(tài)顯示功能。

液壓支架的遠程操控主要是在順槽集控中心和地面調(diào)度中心分別對液壓支架進行操作。液壓支架的跟機自動化主要是在采煤機速度為 3～ 5 m/min 的情況下，對液壓支架的跟機情況進行統(tǒng)計，驗證支架能否跟隨采煤機完成拉架推溜功能。在跟機參數(shù)設定情況下，全工作面支架跟機穩(wěn)定正常。如圖 4 所示，在采煤機最大速度為 12 m/min 時，系統(tǒng)通過隔架多架拉架的方式仍然能夠跟隨采煤機完成相應動作。

圖4 工作面跟機自動化參數(shù)Fig.4 Automation parameters of work face following machine

支架通過推移液壓缸上的傳感器監(jiān)測支架壓力、支架高度、采煤機搖臂高度等數(shù)值，對采煤機與支架進行防干涉識別，并可進行彈窗和聲音報警。液壓支架配備了無線遙控器，實現(xiàn)了對液壓支架的單架、成組、超前支架一鍵自移的無線遙控。

4 結(jié)語

以中煤蒙大公司納林河二號煤礦 3-1 上 102 工作面為主要研究對象，基于液壓支架的電液控制技術，針對液壓支架推移過程中需要人工調(diào)節(jié)的缺點，提出了一種智能的液壓支架遠程控制系統(tǒng)方案。現(xiàn)場應用結(jié)果表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)了對液壓支架狀態(tài)的全方位監(jiān)測以及遠程控制，同時可以實現(xiàn)液壓支架的單架、成組跟機自動化，明顯提高了工作面支架的移架速度及工作效率，降低了煤礦井下工作者的勞動強度，為煤礦高產(chǎn)高效安全開采奠定了基礎。