ZF13000 型液压支架远程监测与控制系统设计研究

朱晓倩

（晋能控股煤业集团四老沟矿，山西 大同 037000）

1 概况

四老沟煤矿综合采煤采用ZF13000 型液压支架进行支护作业，智能化程度低，对液压支架故障状态的识别度低，一旦液压支架出现故障停止工作，需要人工进行故障排查。为了提升矿上的智能化程度，打造“智慧矿山”，进行智能化液压支架监测和控制系统[1-5]设计研究。

2 液压支架远程控制系统设计

2.1 远程控制系统主机

ZF13000 型液压支架监控系统主机的选择根据液压支架的使用工况和监控系统的功能需求确定。布置在综采工作面的ZF13000 型液压支架，环境瓦斯浓度相对较高，且监控系统需要具备液压支架的实时状态监测、控制模式切换、状态参数修改以及液压支架监控历史数据查询等功能。结合煤安要求，该煤矿针对ZF13000 型液压支架监控系统的主机选择本安型防爆计算机，其组成结构如图1。

图1 系统主机本安型防爆计算机组成结构图

2.2 ZF13000 型液压支架状态监测

监控系统对ZF13000 型液压支架的监测项目主要有液压支架的移架状态、急停与闭锁状态、支架立柱压力、推溜位移等。移架状态表明液压支架的动作是否由控制系统直接控制；急停与闭锁状态的显示能够对监控值班人员发出紧急情况提醒，保证液压支架状态安全稳定；立柱压力数据的采集与显示是表明液压支架是否起到支护作用的关键；液压支架的推溜位移是当采煤机运行时，布置在采煤机后的ZF13000 型液压支架会完成推溜、拉架动作，能直观反映出采煤机的推进效率以及液压支架是否按照采煤工艺完成了移架支护动作。

系统监控程序通讯采用双CAN 总线方式，分别执行状态监测与轮巡功能，巡检周期设定为3 s。监控界面设计如图2。其中移架状态与推溜位移、前后立柱压力采用X-Y 坐标形式，X 轴标号代表液压支架的编号，Y 轴代表监测项目的数值。监测数据通过装设的各类传感器采集信号转化后获取，液压支架的急停与闭锁状态的显示则采用开关量模式，液压支架的急停或闭锁信号通过信号传输通道采用对应状态标志变色的方式显示在上位机。

图2 监控界面图

2.3 控制模式切换

工业智能控制系统的控制模式一般分为就地控制、远程控制和集中控制三种，ZF13000 型液压支架监控系统针对三种控制模式进行了切换设计。就地控制对现场操作人员开放，通过液压支架操控设备直接控制液压支架的动作与状态；远程控制设计为控制人员在顺槽监控中心通过操作上位机实现液压支架控制；集中控制是智能化无人控制模式，按照设计的控制逻辑，系统通过命令接收与状态数据采集，自动控制采煤机和液压支架动作。基于集中控制系统需求，系统设计了两种控制指令模式，一种是周期性的巡检指令，另一种是系统自动化判断发出的控制指令。如果两种指令数据在同一时间发出，则会导致系统错误，为此在周期性指令发出前后设定了指令“静默期”，即非周期的指令能且只能在“静默期”内发出，避免两种指令的冲突。集中控制模式下的控制逻辑是：停止巡检指令的发出，并在集控指令发出并收到所有控制液压支架的应答指令后的3 s 后自动进行一次巡检。为了实现自动控制的安全，设定在系统收到急停或故障信号后，控制模式自动转换为就地模式，防止故障下自动控制系统错误指令的发出。

2.4 在线修改参数

液压支架控制系统的在线修改参数功能通过上位机进行，提升系统的兼容性，调整不同工况环境下液压支架的状态。参数修改范围包括液压支架的运行参数、系统的自动化控制参数以及系统各类传感器监测数据。支架运行参数主要有控制液压支架的数量、立柱压力范围、移架路程以及成组动作划分参数等；系统自动化控制参数主要是系统控制模式、测试结果显示模式以及指令执行模式等；传感器参数主要是针对是否将某传感器数据纳入程序运算范围、传感器监测数据取值范围以及传感器初始值等。在线修改参数界面如图3，用户第一次下发参数时，需手动填写参数值并点击发送参数，下发参数成功后Lab VIEW 会自动把参数写入数据库表中。

图3 在线参数修改界面图

2.5 历史数据查询

系统设计了采煤周期一年内的液压支架监控数据，主要对故障信息以及控制指令数据进行整理存档，用户可以随时调取，多以曲线图的形式展示。

3 液压支架监控系统测试

3.1 系统监测功能测试

主要测试系统对液压支架前后立柱压力、推溜位移、采煤机位置、急停闭锁信号等状态参数的监测功能是否及时准确。

（1）立柱压力与推溜位移测试

搭建的试验平台采用直流电信号模拟液压支架立柱压力信号，采用位移传感器获取液压支架推溜位移数据。试验选择10 号模拟支架进行测试，对安装在10 号模拟支架上的位移传感器的上部位置和中部位置分别施加3 V 和5 V 两个不同电压等级的电信号。监测界面如图4，左图为位移传感器中部3 V 信号的支架压力、推溜位移值的监测界面，可以看出此时显示10 号液压支架的立柱压力为30 MPa 左右，位移量为50 cm 左右；右图为位移传感器上部5 V 信号的支架压力、推溜位移值的监测界面，可以看出此时显示10 号液压支架的立柱压力为58 MPa 左右，位移量为99 cm 左右。通过计算，监测误差≤1.5%，满足不大于2%的设计需求。

图4 立柱压力与推溜位移测试界面

（2）采煤机位置监测功能

系统对采煤机位置的监测是通过装设在采煤机上的红外发生装置和装设在液压支架控制器内的红外信号接收器配合完成的。综采面采煤机的运行速度约5.5 m/s，ZF13000 型液压支架的运行速度为1.8 m/s，控制系统会实时监测二者相对距离，调整红外接收装置的朝向与角度，使接收装置的扇形接收区域一直覆盖发射装置，通过系统设定的定位算法，完成采煤机定位。试验平台测试中模拟了单台采煤机的运行轨迹，上位机准确显示出采煤机位置。

（3）急停闭锁功能测试

系统设定的急停功能是对所有接入系统的液压支架进行控制，而闭锁功能是对3 台液压支架进行控制。试验系统共在系统中接入10 台液压支架，对7 号液压支架分别进行了急停与闭锁操作，上位机显示界面如图5。急停控制了全部10 台液压支架，7 号急停显示为深色模式；闭锁状态下，共对3 台液压支架进行闭锁操作，分别为6 号、7 号和8 号液压支架，7 号闭锁显示为深色模式。系统的急停闭锁逻辑控制准确，系统反应迅速。

图5 急停闭锁功能测试界面

3.2 系统控制功能测试

（1）切换控制模式功能

在上位机上将控制模式切换到远程模式下，选择单动作模式，选择4 号支架进行远程控制，观测液压支架动作与指令相同；选择成组动作模式，选择4 号支架，选择成组方向为向后，成组范围为4～9，发出拉架指令后，上位机显示4～9 号液压支架同时进行拉架操作，观察4～12 号液压支架实际动作与上位机显示相同。

（2）在线修改参数功能

试验人员在上位机参数修改界面对系统连接的10 台液压支架的支架数量、拉架最大距离和伸缩梁最长时间进行修改，参数修改后分别为支架数量10、拉架最大距离100 cm、伸缩梁最长时间2 s。液压支架控制器接收到修改参数信息后执行命令，修改RAM 中对应数据，对液压支架控制器的参数菜单进行检查，可以看出控制器参数与上位机修改的参数相同，表明通讯正常，在线修改功能实现。

4 结语

（1）根据综采工作面环境瓦斯浓度高以及对液压支架实时状态监测、控制模式切换、状态参数修改、液压支架监控历史数据查询等功能的需求，监控系统主机选择本安型防爆计算机。

（2）控制系统能够实现液压支架控制模式的切换、在线数据修改以及历史数据查询等功能，其中集中控制模式能够实现无人值守智能化操作，在线参数修改功能提升了系统对环境与不同型号液压支架兼容的能力。

（3）设计了试验平台对监控系统的监测功能、采煤机位置监测、急停闭锁功能、切换控制模式功能以及在线修改参数功能等进行测试，表明监控系统监测状态监测灵敏，控制功能有效。