液压支架电液控制系统的优化研究

蔺万鹏

（阳泉市上社二景煤炭有限责任公司， 山西 阳泉 045000）

引言

液压支架是煤矿井下支护作业的核心，其工作的稳定性和可靠性直接决定了井下支护效率和安全性。目前液压支架多数仅具备简单的升架、降柱、成组动作控制功能，自动化程度低、调控精度差，不仅无法实现对支护状态的实时监测，也无法实现液压支架的跟机自动运行，已经无法满足煤矿井下智能化综采作业的需求，极大地影响了井下综采作业的效率和安全性。

1 电液控制系统整体结构

煤矿井下综采智能化的一个关键点是，液压支架能够对支护时的压力进行感知，并对采煤机的相对位置进行判断。通过对支护压力的感知可及时调整支护时的支撑压力，从而确保在整个支护过程中的稳定性，避免出现支护失稳现象；对液压支架、采煤机的相对位置进行判断，主要是能够实现液压支架的跟机自动运行，确保采煤机和液压支架不会相互干涉，实现综采面综采设备的智能化联动运行。

根据采煤机、液压支架、刮板输送机工作时的相对流程，本文提出了液压支架电液控制系统整体结构，如图1 所示[1]。

由图1 可知，该控制系统主要包括上位机、下位机、感知层三个部分，上位机主要包括数据库和监控界面，主要用于将监测结果显示在监控终端上，便于监测人员及时掌握液压支架的工作状态，同时能够在紧急情况下进行远程调控，直接对相应的支架下达调整命令，提高井下液压支架控制的灵活性。下位机是井下支架组的控制终端，包括一个下位机控制站及多个液压支架控制器，各液压支架控制器主要对支架的运行状态信息进行汇总和分析，将结果传输给下位机，进行统一的数据分析，同时支架控制器用于接收各类调整命令，直接对各支架的运行情况进行调整，并对调整结果进行监控，确保支架调整的精确性。感知层主要是分布在各个液压支架上的传感器，用于对支架的运行状态进行监测，并将监测结果传递到支架控制器内。

图1 液压支架电液控制系统结构示意图

2 支架控制器硬件结构设计

支架控制器是控制液压支架运行和动作调整的基础，其工作的稳定性直接决定了支架调整的准确性和安全性。由于井下工作环境较为恶劣，因此需要控制系统内的各硬件设备在满足控制性能要求的情况下具备极高的可靠性，同时为了便于在出现故障时进行快速调整和更换，要求控制系统的硬件尽量采用模块化[2]的结构设计方案，在接口处采用标准协议接口，提高数据传输效率，也便于后续系统的扩展或者升级。该支架控制器硬件系统结构如图2 所示。

图2 支架控制器硬件结构

液压支架的支架控制器与系统的电液控制装置相连通，由支架控制器发出各类调节信号，对电液控制系统内的调节电磁阀、执行油缸等进行调节，保证各液压支架能够根据系统发出的调节信号准确地执行各类调整动作，实现井下支架的智能控制运行。

3 通信系统设计

该电液控制系统顺利工作的核心是各类数据信息的快速传递，为了解决井下复杂电磁环境下信号传输干扰性大的难题，在系统内设置了双路RS485 通信协议，用于保持液压支架间数据通信的稳定性，同时在系统内还设置了双CAN 数据通信系统，用于实现井下巷道内主机和支架控制器之间的数据通信，该数据通信系统的整体结构如图3 所示[3]。

图3 数据通信控制结构示意图

该控制系统采用了双回路通信模型，能够对数据收集和数据发送进行分路传递，可以有效提升数据的传输效率和抗干扰性。在系统内设置了网络交换机，采用了斯密特触发反相器控制，能够对输入信号进行快速的滤波处理，消除信号内的杂波，提高输入信号的稳定性。

煤矿井下地质条件较为复杂，不同工况下的液压支架控制需求也不统一，因此对控制灵活性要求较高。经过对多种控制模式进行分析后，最终确定了“就地控制为基本、远程控制为主体”的控制模式。在就地控制的过程中，员工在支架控制器终端直接下达控制指令，控制支架组完成成组动作，实现井下液压支架组小范围内的协同运行控制。远程控制主要是由员工在地面控制中心发出各类调节指令，经过通信系统传输到井下支架控制器终端，实现对各支架运行的灵活控制。

目前该支架控制系统已经在多个巷道投入应用，根据对其工作状态的跟踪，其运行时的调节反应时间由最初的3.4 s 降低到了目前的0.357 s，支架调节反应时间缩短了89.5%；液压支架在调节时的精度由最初的±0.18 m 降低到了目前的±0.02 m，显著地提升了控制系统的反应灵敏性和控制精度，对保证井下液压支架组的运行可靠性具有十分重要的意义。

4 结论

1）该控制系统主要包括上位机、下位机、感知层三个部分，能够保证在不同情况下直接对相应的支架下达调整命令，提高井下液压支架控制的灵活性。

2）双路RS485+双CAN 数据通信系统，能够对数据收集和数据发送进行分路传递，可以有效提升数据的传输效率和抗干扰性。

3）就地控制为基本、远程控制为主体的控制模式，具有高度的灵活性，可以满足不同工况下的控制需求。

4）该控制系统能够将支架调节的反应时间缩短89.5%，将液压支架的调节精度保持在±0.02 m，对保证井下液压支架组的运行可靠性具有十分重要的意义。