一、電液控制功能概述
某礦采煤工作面配備的TAGOR(1.1/2.2)型二柱掩護(hù)式液壓支架采用PM31電液控制系統(tǒng)操控。
PM31系統(tǒng)的主要功能是控制支架的所有動作?？刂剖窃趹?yīng)用程序基礎(chǔ)上進(jìn)行?？刂频拿钍遣僮魅藛T通過鍵操作發(fā)出的（或是根據(jù)采煤機(jī)位置由系統(tǒng)自動發(fā)出），傳感器檢測的實時值和用戶設(shè)置的各種參數(shù)也是控制過程的重要條件。PM31系統(tǒng)發(fā)揮計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的優(yōu)勢，賦予系統(tǒng)豐富的功能，使支架控制方便、靈活、協(xié)調(diào)、安全，尤其是應(yīng)用程序修改的易行性和控制參數(shù)項目的完善周密及調(diào)整簡便，使系統(tǒng)做到控制功能與工作面條件和生產(chǎn)工藝要求盡可能好地配合適應(yīng)。PM31電液控制系統(tǒng)的主要功能包括：
1.用按鍵對單個支架動作的非自動控制
操作人員在任意一個支架上操作，先選某一個支架為被控支架，這個被控支架根據(jù)用戶的需求和安全的要求，軟件確定了其可選擇的范圍。一般情況下，可選擇的僅為左、右鄰架。需要時，軟件可將可選架范圍擴(kuò)展至與本架相隔的左邊或右邊的若干個單架。原則上不允許操作人員的本架為被控架，如支架和工作面安全條件允許，經(jīng)用戶與廠家協(xié)議，軟件也可做到本架為被控架。被控架選定后要使被控支架進(jìn)行某一動作或某些聯(lián)合動作，就接著按面板上相應(yīng)的操作鍵。這是系統(tǒng)提供的最基礎(chǔ)的初級功能。這種“單控”操作又有三種形式的區(qū)分：
① 對于一些重要的常用的單動作和聯(lián)合動作，在面板上定義了專用鍵，在被控支架選定后按專用鍵即可。這是一種快捷方式。動作的維持必須靠持續(xù)按鍵不松手，松開鍵動作就停止。
② 如果被控制的對象及動作多，不可能所有動作都定義專用快捷鍵。系統(tǒng)將不常用的動作的操作項目歸入菜單中，通過菜單選項后再統(tǒng)一使用兩個特定鍵操作。動作的維持也必須持續(xù)按鍵。
③ 對于可能需要持續(xù)較長時間的單動作，也在面板上定義了直接操作的專用鍵，但不必持續(xù)按鍵，采用點按方式，一按啟動，再按停止。本架推溜就用這種方式操作。
2.對單個支架的降柱-移架-升柱動作施行自動順序聯(lián)動
PM31控制器的程序?qū)⑦@些相關(guān)聯(lián)貫的動作協(xié)調(diào)連續(xù)起來合成為一個復(fù)合動作，自動按程序執(zhí)行。每個單動作的進(jìn)程及單動作之間的銜接與協(xié)調(diào)均以設(shè)置的參數(shù)或傳感器實時檢測的數(shù)據(jù)為依據(jù)。
3.成組自動控制
成組自動控制的含義是：以工作面的任何一個支架為基準(zhǔn)（操作架），向左或向右連續(xù)相鄰的若干個支架被設(shè)定為某次某一動作的一個成組，支架的某一動作（單動作或自動順序聯(lián)動的復(fù)合動作）在給出命令后從這個組一端的起始架開始運行，按一定的程序在組內(nèi)自動地逐架傳遞，每架的動作自動開始，自動停止，直至本組另一端的末架完成該動作為止。成組執(zhí)行什么動作、組的位置、架數(shù)、動作的傳遞方向取決于操作架位置以及在操作架上所鍵入的選擇命令。成組自動控制必須先作一系列的參數(shù)設(shè)置，也就是給成組自動控制設(shè)條件定規(guī)則，但不必每次都設(shè)置，參數(shù)存入后只在要改變時才重新設(shè)置。PM31系統(tǒng)的應(yīng)用程序為自動降-移-升、推溜、拉溜、伸縮護(hù)幫板和伸縮梁等動作提供了成組自動控制功能。
4.在順槽巷道中對工作面支架進(jìn)行控制
在順槽巷道中裝備有PM31系統(tǒng)的主控計算機(jī)的條件下，可使用一個放置在主控計算機(jī)近旁并與主控計算機(jī)相連接的支架控制器，在該控制器上操作，對工作面支架的動作實施遠(yuǎn)方控制。
5.以采煤機(jī)位置為依據(jù)的支架自動控制
這是支架控制的高級功能。要實現(xiàn)這項功能系統(tǒng)必須有采煤機(jī)的位置檢測裝置。檢測到的采煤機(jī)位置信息必須傳給系統(tǒng)。根據(jù)工作面的作業(yè)規(guī)程，確定采煤機(jī)運行到某一位置時哪些支架應(yīng)相應(yīng)地執(zhí)行什么動作，這些操作要求被編成程序存入系統(tǒng)中，系統(tǒng)根據(jù)采煤機(jī)位置的信息自動發(fā)出命令指揮相應(yīng)的支架控制器完成這些操作。支架的正常動作過程完全自動地進(jìn)行。
6.支柱在工作中發(fā)生卸載時的自動補壓功能和需要時使壓力超過泵壓的自動增壓功能
PM32控制器提供了一項稱為PSA（Positive Set Automatic）的自動功能。支柱在支撐中如因某種原因發(fā)生壓力降落，當(dāng)壓力降至某一設(shè)定值時，系統(tǒng)會自動執(zhí)行升柱，補壓到規(guī)定壓力，并可執(zhí)行多次，保證支護(hù)質(zhì)量。
在液壓系統(tǒng)具有增壓裝置和功能的條件下，在執(zhí)行PSA功能的基礎(chǔ)上，需要時PM32控制器可提供一項稱為HPS（High Pressure Setting）的高壓自動增壓功能，使立柱壓力在PSA的目標(biāo)壓力之上自動增壓并保持超過泵站供液壓力的某一設(shè)定的高壓力值。在這種狀態(tài)下如壓力降至另一設(shè)定值，系統(tǒng)還會自動再執(zhí)行增壓，可多次反復(fù)進(jìn)行，保證支架處于高強(qiáng)度的支護(hù)狀態(tài)。
7.閉鎖及緊急停止功能
為安全目的不允許工作面某處支架動作時（如因維修或其他目的，人員要在這個位置工作），可操作支架控制器上的閉鎖鍵將本支架閉鎖，同時在軟件作用下還將左右鄰架也閉鎖，只有解鎖操作后才可恢復(fù)。閉鎖的實質(zhì)是禁止電磁閥驅(qū)動器的工作。對于被閉鎖的三個支架以外的其他支架控制器不受影響，仍可正常工作。
當(dāng)工作面發(fā)生可能危及安全生產(chǎn)的緊急情況，需要立即停止或禁止支架的自動動作時，可按壓任意一個支架控制器上的緊急停止按鍵（與閉鎖鍵共用），全工作面支架自動動作立即停止并在急停解除前自動控制功能被禁止。
8.其他信息功能
PM31系統(tǒng)的信息功能豐富。支架控制器、主控制計算機(jī)及其他裝置上有多種形式的信息媒體，包括字符、圖形顯示，蜂鳴器聲響信號及很多狀態(tài)顯示LED。系統(tǒng)可向用戶提供的信息歸納為以下幾類：支架動作的警示聲光信號，控制過程和狀態(tài)信息，支架工況信息（傳感器檢測值），設(shè)置的控制參數(shù)信息，故障和錯誤信息及一些系統(tǒng)本身的狀態(tài)信息。除此之外，PM31電液控制系統(tǒng)還可以記錄采煤機(jī)及刮板輸送機(jī)的運行歷史數(shù)據(jù)，并將這些設(shè)備的運行信息，以圖、表的方式自動存儲記錄在日志文件夾。典型的信息存儲如圖1~4所示。
PM31系統(tǒng)還具有向系統(tǒng)外（如井下或地面測控站）傳輸信息的功能。
圖1 支架壓力分布?xì)v史數(shù)據(jù)圖
圖2 傳感器歷史數(shù)據(jù)圖
圖3 刮板機(jī)推移歷史數(shù)據(jù)圖
圖4 采煤機(jī)運行歷史數(shù)據(jù)圖
二、電液控制系統(tǒng)配置方式
某礦自動化工作面的PM31電液控制系統(tǒng)的配置狀況和聯(lián)接關(guān)系如圖5及圖6所示。
圖5 PM31支架電液控制系統(tǒng)配置和聯(lián)接（單個支架的單元系統(tǒng)）
圖5表示的是在一個支架之內(nèi)以支架控制器為核心，并包括其輸入輸出外圍設(shè)備的單架系統(tǒng)。每個單架系統(tǒng)組合起來構(gòu)成一套全工作面完整的電液控制系統(tǒng)。
圖6 PM31支架電液控制系統(tǒng)配置與聯(lián)接（全工作面系統(tǒng)）
圖6表示的是全工作面的整個系統(tǒng)主干，每個支架裝備一臺支架控制器，控制器之間按順序互聯(lián)成網(wǎng)，還配備聯(lián)接了其他一些不可缺少的設(shè)備部件，形成完善的系統(tǒng)。
以下就系統(tǒng)配置和聯(lián)接的有關(guān)問題作進(jìn)一步說明：
（1）每一支架內(nèi)的單元系統(tǒng)以一臺支架控制器為核心，還包括作為控制器外圍設(shè)備的五個傳感器和一套電液閥組：二個壓力傳感器測量左右立柱下腔液壓力；一個行程傳感器測量推移千斤頂?shù)男谐?；一個紅外線接收器檢測采煤機(jī)的運行位置和方向；一個傾角傳感器測量支架頂梁沿走向的傾斜角度。電液閥組是控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件，按被控對象及動作功能分為若干單元，每個單元包括一個液動主控?fù)Q向閥、一個與之對應(yīng)的用來控制驅(qū)動主換向閥的電磁先導(dǎo)閥，先導(dǎo)閥用兩個電磁線圈驅(qū)動。電液閥組的一個單元一般用來控制同一液壓缸的伸和縮兩個動作（即兩個功能），兩個電磁線圈的分別吸合導(dǎo)致了這兩個對應(yīng)的動作。閥組的單元數(shù)取決于被控對象和控制動作（功能）的多少。在每個單架系統(tǒng)中還有一個電磁線圈驅(qū)動器，支架控制器通過它來控制激勵電液閥組的每一個電磁線圈。電磁線圈驅(qū)動器與電液閥組裝在一起，便于驅(qū)動器的多路輸出小電纜就近連接到電液閥組的每一單元上。
（2）工作面的支架控制器因供電關(guān)系而被分組，相鄰的最多6～7個控制器由一路獨立的直流電源供電，成為一個控制器組。分組的標(biāo)志是組與組之間都接入一個隔離耦合器，它隔斷了組與組間的電氣聯(lián)接而又通過光電耦合溝通數(shù)據(jù)通信信號，這種方式是為達(dá)到本質(zhì)安全性能所采取的措施。此外隔離耦合器為電源引入提供通道。
（3）所有支架控制器靠干線電纜互聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)。干線電纜從端頭架控制器開始順序?qū)⑷恐Ъ芸刂破髀?lián)接起來（在組分界點經(jīng)隔離耦合器中介）。每個支架控制器都有地址編號，地址號是按順序連續(xù)的。干線電纜有4根芯線，其中3根為貫通的公共線：1號芯線為電源12V，2號芯線是稱為TBUS的所有控制器間公共的通信總線，3號芯線是稱為Bidi的鄰架間的通信線，4號芯線為電源0V，也是通信信號的公共的零電位點。
（4）系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)終端器、總線提升器均為保證系統(tǒng)正常工作所必須的輔助裝置。
（5）PM31系統(tǒng)還可在圖6介紹的全工作面系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入更高級的配置：一是增設(shè)采煤機(jī)位置檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)以采煤機(jī)位置為依據(jù)的支架自動控制；二是增設(shè)位于順槽巷道中的主控制計算機(jī)，實現(xiàn)高級的監(jiān)測控制功能。順槽主控制計算機(jī)系統(tǒng)與工作面系統(tǒng)之間的聯(lián)接電纜也是4芯的干線電纜，對接點是端頭架控制器原來安裝網(wǎng)絡(luò)終端器的端口（網(wǎng)絡(luò)終端器移至主控計算機(jī)系統(tǒng)規(guī)定的位置）。
PM31系統(tǒng)的最低層也就是最基本的單元是每一架支架上的控制裝置，它以一臺支架控制器為核心并完整地包含了作為自動控制裝置必備的另外兩環(huán)節(jié)：檢測環(huán)節(jié)（由幾個傳感器組成）和執(zhí)行環(huán)節(jié)（由幾個電磁先導(dǎo)閥和液控主閥組成的閥組）。
支架控制器裝有軟件，通過鍵操作運行程序，主要任務(wù)是執(zhí)行本支架的全部動作和工況監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集，這是支架控制器單元的獨立功能。雖然控制器單元具有獨立功能，但獨立使用并無多大意義。高產(chǎn)高效綜采工作面所要求的支架方便靈活的操作，可靠的安全保障和支架控制自動化，所必須的眾多支架間的協(xié)調(diào)配合關(guān)聯(lián)動作，只有通過控制器的互聯(lián)才能實現(xiàn)。
工作面所有支架的控制器互聯(lián)成為一個集成化的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主要特征是控制器間實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，充分發(fā)揮計算機(jī)控制的優(yōu)勢，使系統(tǒng)的功能上一個高臺階。控制器互聯(lián)后在本架控制基礎(chǔ)上實現(xiàn)了鄰架控制、成組自動控制、全線緊急停止等主要功能。每架配備控制器及傳感器、閥組等成套裝置，控制器互聯(lián)成網(wǎng)，這是PM31系統(tǒng)實用化的一個應(yīng)用層次，其功能已能滿足綜采工作面的基本要求。PM31系統(tǒng)為控制器互聯(lián)應(yīng)用配置了必須的硬件（聯(lián)接電纜、通信接口、隔離耦合器等）及與數(shù)據(jù)通信和控制功能相應(yīng)的軟件。
在全工作面支架控制器(SCU)互相聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，設(shè)立主控計算機(jī)并與工作面支架控制器（SCU）網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接。主控機(jī)可以匯集并存入工作面支架控制器傳來的數(shù)據(jù)，可在屏幕上顯示數(shù)據(jù)信息，可設(shè)置輸入控制參數(shù)，可發(fā)出命令控制工作面支架，可緊急停止支架的動作。在裝備有采煤機(jī)位置檢測系統(tǒng)的工作面，主控計算機(jī)可與采煤機(jī)位置檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信，監(jiān)視采煤機(jī)位置，實現(xiàn)以采煤機(jī)運行位置為依據(jù)的支架自動控制。如需要，主控計算機(jī)可與上位機(jī)（地面監(jiān)控站）或其他計算機(jī)進(jìn)行串行數(shù)據(jù)通信。
PM31的最高層次是設(shè)置地面監(jiān)控站（計算機(jī)），它與井下主控計算機(jī)互傳數(shù)據(jù)信息，從而在地面可監(jiān)視工作面支架的狀況，存儲信息資料，參與支架的控制。主控制器可設(shè)置和輸入控制參數(shù)發(fā)出控制命令，可實現(xiàn)采煤機(jī)位置檢測及以采煤機(jī)運行位置為依據(jù)的支架自動控制，還可以承擔(dān)工作面區(qū)域內(nèi)的其他測控任務(wù)，并具備向更上一級或其他計算機(jī)聯(lián)接通信的接口和能力。
三、應(yīng)用效果
1.支架遠(yuǎn)程遙控操作效果評價
測試方案：為實現(xiàn)對工作面支架的手動遠(yuǎn)程操作，在液壓支架主控機(jī)上設(shè)置一個控制器，通過采煤機(jī)攝像系統(tǒng)圖像信息，支架主控器上支架狀態(tài)等信息，操作人員可實現(xiàn)對支架的遠(yuǎn)程干預(yù)。
測試結(jié)果：試驗了遠(yuǎn)程遙控支架的功能，控制程序可以實現(xiàn)所需功能。但操作人員必須在確定支架周邊實際情況后方可進(jìn)行支架遙控操作。
2.支架跟機(jī)自動移架、推溜效果評價
測試結(jié)果：液壓支架在電液系統(tǒng)控制下，通過獲取采煤機(jī)位置信號實現(xiàn)自動移架、推溜，通過控制支架滿行程拉架、推溜，工作面成形效果較好。測試初期存在支架移架速度影響采煤機(jī)運行速度情況，后通過更換高強(qiáng)度推拉頭立銷，將所有推拉節(jié)流閥進(jìn)行短接，支架移架速度大幅改善，解決了由于支架移架速度慢容易漏架，影響采煤機(jī)運行速度的問題。
3.支架三角區(qū)域自動化試驗效果評價
測試情況：對支架三角區(qū)自動化程序進(jìn)行了測試，程序可以實現(xiàn)預(yù)期功能。原程序存在三角區(qū)范圍太長的缺點，現(xiàn)在程序已經(jīng)修改，可根據(jù)實際工藝設(shè)置三角區(qū)返刀距離。機(jī)頭屬人員相對集中區(qū)域，機(jī)頭、機(jī)尾端頭支架與刮板機(jī)驅(qū)動蓋板間距離較小，在上述區(qū)域運行自動化拉架程序存在一定人員及設(shè)備安全隱患，需在監(jiān)護(hù)下運行自動化程序。
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