（兖州煤业股份有限公司鲍店煤矿 山东邹城 273500）
摘要：通过对比国内外支架控制方案，利用手自一体化阀控技术、手持无线遥控技术、无线总线技术、双侧四路电源供电技术等，结合井下防爆监控主机、智能自动喷雾装置、液压支架监控系统和矿压实时监测系统，实现煤矿工作面全支架多功能一体化控制系统。
关键词：全支架控制；手自一体化；无线总线
1国内传统煤矿液压支架电液控制系统方案
液压支架电液控制系统的基本组成包含了众多组成单元，如地面计算机、井下交换机、网络交换器、主控计算机、电源箱、红外传感器、支架控制器、行程传感器、耦合器、数据转换器、角度传感器、压力传感器以及电磁换向阀组等。该系统的核心部分是支架控制器，检测环节的工作则由传感器来完成，主要的动作执行环节则是由电磁先导阀和液控主阀共同组成自动控制装置来完成。支架电液控制系统在实际的使用当中操作较为灵活，在实现自动化控制的同时不仅可以保证系统安全可靠，同时还可以配合协调支架群体间的各项动作。液压支架电液控制系统配置和连接图如图1所示。
整个系统中支架控制器的数量由液压支架的数量决定，通常在 20-200 架。电液控制系统一般都采用主从控制方式，以 RS485 总线通信和 SPI 总线通信作为本系统的通信网络。每个电源可以给五台液压支架控制器供电，井上地面主控计算机通过以太网与液压支架控制器进行通讯，其不足之处是通信速率较低，可靠性及稳定性较差，数据不可跳跃传输、有可能延时，误码率较高。
3全支架多功能一体化控制系统的方案设计
经比较国内外的相近或相关系统的结构、功能和原理，确定的本项目全支架多功能一体化控制系统的整体设计方案如3所示。
本系统的功能及技术指标设计如下：系统具备单个支架动作的非自动控制功能，左右邻架/隔架降－移－升自动顺序联动控制控制功能，成组自动控制功能，移架时的信息显示功能，支柱在工作中发生卸载时的自动补压功能，闭锁及紧急停止功能，通讯检测功能以及程序更新。系统的具体组成部分及其功能技术设计。
3.1手自一体化阀控装置
手自一体化阀控装置集成手动操作和电控操作的功能，实现阀体的模片化，提高通用性和维护的便捷性。新的阀控装置应用可靠，使用寿命>50000次，控制阀体部分由两个直流电磁铁、两个二位三通阀以及两个单作用液压缸组成。直流电磁铁接收控制信号，由控制系统提供驱动电流，线圈产生磁场，驱动电磁铁运动，产生推力推动杠杆动作。每个二位三通阀有两个状态：“零”位和工作位，有三个液流口：高压口、回液口和工作口。“零”位时工作口与回液口相通，高压口关闭；工作位置时工作口与高压口接通，高压液进入工作腔。两个二位三通阀组合在一起相当于一个三位四通阀。单作用液压缸只有一侧供入高压液推动活塞运动，活塞反向运动靠其余外力完成。当信号传输部分无信号传递给控制阀体时，电磁铁不动作，二位三通阀处于“零”位，工作腔压力为0，无高压液推动活塞运动；当向电磁铁提供驱动信号后，电磁铁推动杠杆动作，二位三通阀处于工作位，高压口与工作口接通，高压液进入工作腔，高压液推动活塞动作，从而驱动手动片阀动作。电磁阀驱动器和支架控制器连接，用于接收支架控制器发出的控制信息，根据控制要求驱动对应的电磁阀线圈动作，打开相应的电磁阀；还可以提供先导阀线圈的状态检测，同时提供运行状态、数据发送和接收的状态指示。
电磁阀驱动器提供3个状态指示灯，各灯含义如下：绿灯指示运行状态，上电后常亮；中间黄灯指示数据发送状态，上电后周期闪烁；右侧黄灯指示数据接收状态，当接收到控制指令时快速闪烁。电磁阀驱动器最大提供12个接口，其中1个用于连接支架控制器，用于接收控制指令和发送状态信息，另外11个接口能够提供22路功能输出。各接口在插头处以提供激光标记。
3.2手持无线遥控装置
手持无线遥控装置分为液压支架工和煤机司机专用两种类型，要求更加贴近现场使用要求，可以对支架进行邻架或隔架操作，使操作人员与动作支架保持安全距离。手持无线遥控装置可手持移动，通过无线方式遥控支架操作。遥控装置具备无线对码功能，以无线形式选择预操作支架。无线遥控装置具备充电功能，充满电后可持续使用48小时以上；遥控距离大于6米；发射功率：-50dBm～+10dBm；防护等级达到IP67以上。
鉴于煤矿井下环境恶劣、金属设备阻挡较多，将采用抗干扰性高、功耗低、穿透性强、稳定可靠的无线通信控制技术。确定行业标准、选定使用开发频率段的433MHz 作为遥控器的工作频率。设计高频通信电路。规划通信协议。完成软件开发。在公司内部进行系统集成测试。信号强度测试。通讯可靠性测试。使用网络分析仪、频谱分析仪等设备测试、检测无线信号的稳定性。对于中间出现的异常显现进行分析评估、改进。结构设计考虑结构件对无线信号的衰减作用合理设计结构。使用软件仿真建立无线模块的天线模型，改良天线，增加信号的稳定性、可靠性。
图4 无线总线技术应用示意图
3.3无线总线技术
现有支架电液控制系统均只采用有线总线通讯方式联通各支架控制器。当有线总线通讯发生故障时，系统就无法正常工作。研究无线总线技术，在具备有线总线通讯基础上，增加无线总线通讯方式。双路并用，互为备份，能极大提高数据传输和控制的可靠性。
高速无线总线技术要点：高速率，高可靠性，数据可跳跃传输、低延时，低误码率，自动备份。
项目在具备有线总线通讯基础上，增加了无线总线通讯方式。双路并用，互为备份，能极大提高数据传输和控制的可靠性，解决了当仅有的有线总线通讯发生故障时，系统无法正常工作的安全问题，无线总线技术的应用示意图如图4所示。
无线总线技术能够应用于在线可编程支架控制装置上，覆盖整个工作面，使支架控制实现有线和无线双总线通讯，实现在异常情况下重要的急停指令备份传输功能。无线总线架间通讯距离大于6米，无线总线通讯速率大于100kbps。
3.4双侧四路电源供电技术
输入电源为AC127V，允许波动范围-30%~+30%。一个电源箱可支持不少于8台支架系统。一个电源箱可输出4路12V电源。电源稳定性高，抗干扰能力强。电源箱内部具有隔离耦合模块，实现电源和数据总线的隔离和耦合。
新的电源箱能够同时输出两组共计4路12V直流本安电源。安装时，每隔8架支架安装一个电源箱。每个电源箱对左右两侧支架系统同时进行供电，每侧提供一组共两路12V直流本安电源。每一组中的两路电源分别向支架控制器和电磁阀驱动器进行供电。这样，驱动部分和控制部分供电相对独立，可以避免驱动部分和控制部分因故障受影响，并且能够提高整个系统的EMC特性，使系统更稳定，可以增加电源箱的供电架数，降低成本，方便现场安装。
3.5井下防爆监控主机、智能自动喷雾装置、液压支架监控系统、智能自动喷雾系统和矿压实时监测系统，监控主机可作为硬件平台实现数据监控和自动化控制监控主机，具备高性能CPU，19寸屏幕，具备RS485、CAN、以太网、USB等多种接口。
4结语
全支架多功能一体化控制系统包括集成液压支架监控系统、智能自动喷雾系统和矿压实时监测系统。液压支架监控部分能够采集各种实时数据、实时状态，实现支架综合控制等功能。智能自动喷雾部分实现跟机智能喷雾功能，根据生产需要实现移架、割煤、放煤等过程的喷雾智能化控制，降低作业现场环境粉尘。矿压实时监测部分实现整个工作面矿压的实时性监测和预警功能。系统采用高级语言编程技术，能够高速数据采集。
参考文献：
[1]GB 25974.3-2010 煤矿用液压支架 第3部分：液压控制系统及阀
[2]马鑫，张东来，秦海亮.液压支架电液制系统的设计[J].煤矿机械，2007，28（2）：1-3
论文作者:李亚军,徐长厚,马运峰,牛庆俊,王建
论文发表刊物:《电力设备》2017年第36期
论文发表时间:2018/5/14
标签：支架论文; 总线论文; 功能论文; 液压论文; 电源论文; 控制系统论文; 装置论文; 《电力设备》2017年第36期论文;