CN202300458U - 液压支架的非主从式联网监测控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种液压支架的非主从式联网监测控制系统，工作面支架控制装置，工作面支架控制装置对采矿设备的位置、压力、行程进行数据采集进行运算和处理，通过电磁阀驱动器控制电磁阀的开关动作，进而控制液压缸的行程，实现液压支架的各种动作；顺槽控制中心，该顺槽控制中心将来自于工作面支架控制装置的输出信号进行处理，使采矿设备实现联动；以及地面监控中心，接收来自于顺槽控制中心的输出信号，对各个采矿设备动作状态、故障、数据和信息进行显示和采矿过程的联网监控。本实用新型实现了综采工作面生产设备的全自动控制，减少操作人员，降低操作难度，提高工作面生产效率，改善工作面产条件，实现安全生产。

Description

液压支架的非主从式联网监测控制系统

技术领域

本实用新型涉及矿井综合机械化开采领域，具体涉及一种液压支架的非主从式联网监测控制系统。 

背景技术

煤炭工业是我国重要的基础产业，我国煤炭资源丰富，在未来相当长的时期内，以煤为主的能源供应格局不会改变。我国煤炭工业“十五”和“十一五”时期的重要发展目标是煤炭产业结构调整，实施大集团战略，淘汰落后生产线，提高煤矿生产技术装备水平和采煤机械化程度。 

按照这一目标要求，各煤矿企业集团必须积极推进采煤工艺改革和技术改造，做到壁式正规化开采。加快提升煤炭生产和设备制造技术水平，采用高新技术和先进适用技术，加快高产高效矿井建设。提高煤矿装备现代化、系统自动化、管理信息化水平，淘汰落后的技术装备与工艺，推动煤炭工业科技进步和生产发展。提高煤炭重大技术装备研发和制造能力，促进重大装备制造国产化，尽快达到世界先进水平。 

按照这一目标要求，各煤炭装备制造企业必须建设高产、高效、安全的现代化矿井技术，建成一批以国产化设备为主的采、掘、运、提机电一体化的高效、安全、集约化、现代化生产矿井。同时不断攻克自动化采煤工作面关键技术，重点研究液压支架的程序控制功能，使液压支架能够与采煤机、刮板运输机等相关设备协调动作。 

在煤矿综合机械化采煤领域，液压支架是工作面的主体设备，它能可靠而有效地支撑和控制采煤工作面顶板，隔离煤层采空区，保持安全的井下作业空间，并实现回采工作面及其相关设备的机械化推移。液压支架与采煤机、刮板输送机、破碎机、转载机、皮带输送机配合，构成了回采工作面的综合机械化 设备，从而为煤矿开采实现高产、高效和安全生产创造了条件。因此，采用液压支架支护煤层顶板是当代采煤技术的一次重要变革，也是煤矿生产现代化的重要标志。 

随着我国煤炭工业结构升级步伐的加快，国家关于煤炭工业的宏观调控及重大设备国产化政策的进一步推进，以前国内大量生产的液压支架不带电液控制系统或控制功能较弱，实现不了综合机械化自动采煤，致使综采工作面生产设备的无法达到全自动控制，所需操作人员的数量多，工作面生产效率少，操作难度大，生产的安全性难以得到保证。如何提高综采工作面生产设备的自动化程度和水平是液压支架电液控制先进性的标志。 

发明内容

本实用新型的目的是提供一种液压支架的非主从式联网监测控制系统，本实用新型实现了综采工作面生产设备的全自动控制，减少操作人员，降低操作难度，提高工作面生产效率，改善工作面产条件，实现安全生产。 

实现上述目的的技术方案如下： 

液压支架的非主从式联网监测控制系统，其特征在于，包括： 

工作面支架控制装置，工作面支架控制装置对采矿设备的位置、压力、行程进行数据采集进行运算和处理，通过电磁阀驱动器控制电磁阀的开关动作，进而控制液压缸的行程，实现液压支架的各种动作； 

顺槽控制中心，该顺槽控制中心将来自于工作面支架控制装置的输出信号进行处理，使采矿设备实现联动；以及 

地面监控中心，接收来自于顺槽控制中心的输出信号，对各个采矿设备动作状态、故障、数据和信息进行显示和采矿过程的联网监控。 

采用了上述方案，本实用新型的液压支架的非主从式联网监测控制系统主要作用是根据采煤机的位置、立柱油缸压力和推杆行程自动控制液压执行元件(液压缸)行程和支架的各种动作，使支架达到预先设定的姿态，为采煤机械提供一个具有进给和跟随功能的工作空间。系统采用机电一体化相结合的原理， 根据综合机械化采煤工艺编程，实现液压支架单台控制或成组控制，跟踪采煤机割煤位置实现全自动控制。系统采集各种传感器的数据，完成控制逻辑运算，并通过阀门驱动电路控制电磁阀动作，实现对支架的各种工艺动作的控制。系统通过现场总线进行通信，达到彼此交换数据、相互控制的目的。系统通过顺槽中心控制计算机，可与采煤机等井下综采设备联动，当护帮板收回发生故障时，支架控制器根据护帮板收回接触传感器信号的判断，报告顺槽控制中心，后者通过采煤机动力站向采煤机发出指令，使其自动停止行进。系统通过光缆实现工作面液压支架等采矿设备与井上远程监控计算机通信，进行数据交换，动态显示各支架的动作流程，实时显示各支架的压力数据、行程数据、采煤机的位置信号，实时显示各支架阀门的开闭状态和各支架的故障情况。 

综上所述，本实用新型实现了综采工作面生产设备的全自动控制，减少操作人员，降低操作难度，提高工作面生产效率，改善工作面产条件，实现安全生产。 

附图说明

图1为矿井下主要综采设备配置示意图； 

图2为本实用新型液压支架非主从式联网监测控制系统组成示意图； 

图3为本实用新型液压支架非主从式联网监测控制系统数据上传示意图； 

图4为本实用新型液压支架非主从式联网监测控制系统的自动采煤工艺流程图； 

具体实施方式

参照图1，煤矿井下主要综采设备包括采煤机、刮板输送机、液压支架、皮带运输机、转载机、破碎机、移动变电站、喷雾泵站及乳化泵站等，其中液压支架是工作面采煤设备的主体，乳化泵站主要是给液压支架提供动力源。喷雾泵站给采煤机和液压支架提供一定压力的水源，在割煤过程中对煤层喷雾和辅助喷雾。刮板输送机、皮带运输机、转载机和破碎机四种设备在机械上连成一体，作为接煤、碎煤、转运和向井上输送的运煤系统。采煤机安装在刮板输 送机上，采煤机上安装有红外线发射器，用来指示采煤机的位置。井下所有设备由移动变电站供电，其中大多数设备都是在顺槽控制中心的统一协调、管理和监控下工作。 

参照图2，本实用新型的液压支架的非主从式联网监测控制系统，其由工作面支架控制装置14、顺槽控制中心1、地面监控中心5三部分组成，下面对各部分进行详细说明： 

工作面支架控制装置14对采矿设备的位置、压力、行程进行数据采集进行运算和处理，通过电磁阀驱动器控制电磁阀的开关动作，进而控制液压缸的行程，实现液压支架的各种动作。工作面支架控制装置包括：位置传感器、压力传感器、行程传感器、支架控制器13，钢丝编织橡胶护套连接器10、电磁阀驱动器、本安型直流稳压电源11、电源适配器12、隔离耦合器15。下面对工作面支架控制装置14的每部分进行说明： 

位置传感器用于采集采矿机的具体位置。位置传感器包括红外线发射器9，用于煤矿井下采煤机前进割煤时发送采煤机的位置；以及红外线接收器，接收来自于红外线发射器发出的位置信号，并将该位置转换为电信号，传送给支架控制器。红外线发射器9用于煤矿井下采煤机前进割煤时不断发送采煤机的位置，让工作面支架控制装置能随时知道采煤机的位置和方向，实现工作面综合机械化自动采煤。红外线发射器内部由PIC12F609微处理器控制产生一定规律的波型信号，驱动红外线发射管产生红外线信号。红外线发射器安装在采煤机上，面对着液压支架上的红外线接收器，并与红外线接收器处在同一高度。红外线发射器额定工作电压12.0VDC，额定工作电流40mA，发送信号波长890nm，发送信号范围20°X 3m。 

红外线接收器将位置转换为电信号后传送给支架控制器13。在工作面支架控制装置14中，红外线信号用来反映煤机位置，是成组拉架、成组推溜、成组伸收互帮、成组喷雾及全自动推溜拉架控制过程的重要参数，决定支架成组和 全自动运行的进程。红外线接收器安装在液压支架立柱上，面对着采煤机上的红外线发射器，并与发射器处在同一高度，当采煤机经过时，接收器接收采煤机上红外线发射器发出的890nm波长的红外线信号，经PIC12F609微处理器及内部电路的处理变换后输出0.5～4.5V的电压信号给支架控制器。红外线接收器额定工作电压12.0VDC，额定工作电流10mA，接收信号波长范围880～900nm，输出电信号0.5V～4.5VDC。 

压力传感器，用于检测支架立柱下腔液压力。压力传感器作为液压支架立柱下腔液压力检测的本质安全型压力检测电子设备，是控制过程的重要参数，反映支架的支护状态。它插入立柱测压孔中，检测液压支架立柱缸的压力，并把该压力转换为电信号，传送给支架控制器13，支架控制器13根据其检测到的压力控制立柱的升降。压力传感器输入0～60Ma的压力信号，内部具有带温度补偿的低漂移放大器，传感元件为电阻应变桥路，输出0.5～4.5V的电压信号。压力传感器额定工作电压12.0VDC，额定工作电流10mA。 

行程传感器检测推移千斤顶活塞杆移动行程。行程传感器作为推移千斤顶活塞杆移动行程检测的本质安全型位移检测电子设备，反映支架或推杆所处的位置，是控制过程的重要参数，推移千斤顶活塞杆位置决定推溜和拉架的进程。行程传感器安装在液压支架推移液压缸中，是一个细长的直管结构，一端固定在液压缸端部，管体深入到活塞杆中心专为其钻出的长孔中，其分辨度为4mm，行程传感器输入0～1000mm的长度信号，当推移千斤顶活塞杆移动时传感器向控制器输出0.5～4.5V的电压信号。行程传感器额定工作电压12.0VDC，额定工作电流10mA。 

支架控制器13，用于处理和显示各传感器采集的数据，将控制信号输出到电磁阀驱动器控制电磁阀的开关动作；支架控制器13作为煤矿井下液压支架专用的微电脑型控制器，是支架控制装置的核心，它安装在每台液压支架上，其主要作用是处理和显示各传感器采集的数据，完成一系列逻辑控制运算，通过电磁阀驱动器控制电磁阀的开关动作，进而控制液压缸的行程，实现支架的各 种动作。支架控制器13输入0.5-4.5V(模拟)的立柱压力传感器信号、0.5-4.5V(模拟)的推杆行程传感器信号、0.5-4.5V(15mS周期的方波脉冲)的采煤机位置红外线信号，然后经过PIC4685微处理器进行处理，通过RX/TX异步串口信号控制电磁阀驱动器。支架控制器之间输入/输出CAN信号，实现多台支架控制器之间的通信。支架控制器额定工作电压12.0VDC，额定工作电流60mA(不驱动阀门时)，具有4路传感器输入接口。 

电磁阀驱动器接收支架控制器发出的控制信号，经过逻辑运算处理后进行放大，驱动电磁先导阀开通或关闭，实现对液压缸行程和支架各种动作的控制。电磁阀驱动器另外还用于煤矿井下综合自动化采煤设备中连接支架控制器和电磁换向阀的本质安全型电子驱动设备，它脱离控制器主体，独立安装在每台支架上。本实用新型中的电磁阀驱动器采用异步串行通信技术，它与支架控制器13之间只需一根四芯电缆就可连接起来，建立与支架控制器13之间的数据交换，在电磁阀驱动器内部采用智能电子控制技术，自动识别电磁阀驱动器发出的各种控制信号，能与各种电磁换向主阀匹配，驱动相应电磁先导阀的开通或关闭。电磁阀驱动器具有先进的输出保护方式，每一个输出端口都具有一个保护电路，当输出端口短路时，保护电路产生动作，保证输出端口不被损坏，当某个驱动管保护后，不影响其它驱动管的正常工作。电磁阀驱动器与支架控制器13之间的输入/输出信号为异步串口信号，信号幅度1.0V～5.0V。电磁阀驱动器额定工作电压12.0VDC，额定工作电流40mA，每路电磁阀驱动输出信号为12.0V/500mA(本安输出)的电平信号，最多可输出32路电磁阀驱动输出信号。 

钢丝编织橡胶护套连接器10用于矿井下综合自动化采煤设备中各设备之间的电气连接，具体连接的设备主要是支架控制器13、电源适配器12、隔离耦合器15、压力传感器、行程传感器、红外线接收器以及红外线发射器。钢丝编织橡胶护套连接器插头可做350度旋转，具有较好的伸缩性能和抗剪切强度高。钢丝编织橡胶护套连接器导电线芯直流电阻小于12.8Ω/km，导电线分布电容小于0.06uF/km，导电线分布电感小于0.8mH/km，连接器针与孔之间的接触电阻 小于10mΩ，最大工作电压小于36.0VDC，最大工作电流小于3.0A。 

本安型直流稳压电源11，将输入的交流电源变换为低压的直流电压输出。安型直流稳压电源11作为液压支架控制装置专用的电源变换装置，它从工作面接入127V交流电源，经过整流滤波成180V左右的直流电压，然后经过开关变压器和TOP250开关电源芯片、TL431三端电压基准变换成12.4V/1.5A直流本安输出电压，向液压支架控制装置各类设备供电。隔爆兼本安型直流稳压电源交流输入电压127VAC，额定输出电压12.4VDC，最大输出电流1.5A。 

电源适配器12用于向支架控制器供电，以及对相邻支架控制器之间电源和信号的隔离及传输。电源适配器12作为相邻两个由同一电源箱不同电源模块供电的支架控制器组之间的本质安全型总线接口设备，主要用于向支架控制器13供电，以及支架控制器之间电源和信号的隔离及传输。电源适配器从本安型直流稳压电源11引入电源，然后分别供给适配器左右两侧信号收发器组电路。电源适配器12采用光电隔离技术让其左右收发器组之间的信号在电气上完全隔离，通过光电转换和收发技术实现其左右两侧信号的放大和传输。电源适配器12既为其左右两侧相邻的支架控制器13提供电源，又进行数据接收和数据发送，实现双向数据通信。电源适配器12额定工作电压12.0V，额定工作电流40mA，其输入、输出信号类型均为差分电压信号，信号电压幅值1-5V，信号电流幅值小于40mA。 

隔离耦合器15用于相邻两个支架控制器之间电源和信号的隔离及传输。隔离耦合器15作为相邻两个由不同电源箱供电的支架控制器组之间的本质安全型总线接口设备，主要用于支架控制器之间电源和信号的隔离及传输。隔离耦合器15主要是采用光电隔离技术让其左右收发器组之间的信号在电气上完全隔离，通过光电转换和收发技术实现其左右两侧信号的放大和传输。其左右两侧分别从所连接的支架控制器13中引入电源，供给左右两侧信号收发器组电路。左右两侧既可作为数据接收，又可作为数据发送，均能实现双向数据通信。隔离耦合器额定工作电压12.0V，额定工作电流40mA，其输入、输出信号类型均 为差分电压信号，信号电压幅值1-5V，信号电流幅值小于40mA。 

顺槽控制中心将来自于工作面支架控制装置的输出信号进行处理，使采矿设备实现联动。顺槽控制中心1包括顺槽防爆控制计算机2，以及与该顺槽防爆控制计算机2连接的光纤交换机3。顺槽防爆控制计算机2是一台隔爆兼本质安全型工业控制计算机，它与工作面液压支架、采煤机、刮板机等采煤设备的数据通信采用CAN、RS485总线，实现工作面液压支架、采煤机、刮板机等采煤设备的联动。它与地面监控计算机的数据通信采用TCP/IP协议，实现工作面液压支架、采煤机、刮板机等采煤设备的联网监控。光纤交换机3是一种高速的网络传输中继设备，它较普通交换机而言采用了光纤电缆作为传输介质，其优点是速度快、抗干扰能力强，光纤交换机与顺槽防爆控制计算机和地面监控计算机的数据通信均采用TCP/IP协议。当光纤交换机用于煤矿井下时，还必须具有本质安全型防爆特性。 

地面监控中心5接收来自于顺槽控制中心的输出信号，对各个采矿设备动作状态、故障、数据和信息进行显示和采矿过程的联网监控。地面监控中心5包括光纤交换机3以及与该光纤交换机连接的地面监控计算机6。地面监控计算机6为工业控制计算机，它接收工作面液压支架、采煤机、刮板机等采煤设备的各种动作状态、故障、数据和信息并进行显示，当工作面出现警情时，监控计算机能采取紧急处理措施停止整个工作面的动作。 

图3表示本实用新型液压支架非主从式联网监测控制系统数据上传示意图，从图3中可以得出，本实用新型与出煤巷道顺槽控制中心计算机接口，实现工作面采煤设备的联动。例如当护帮板收回发生故障时，支架控制器13根据护帮板收回接触传感器信号的判断，报告顺槽控制中心计算机，顺槽控制中心计算机通过采煤机动力站向采煤机发出指令，使其自动停止行进。工作面液压支架控制器13与出煤巷道顺槽控制中心计算机之间采用CAN或RS485总线进行数据通信。顺槽控制中心计算机与井上地面监控中心计算机之间通过光缆进行数据 通信，将工作面液压支架的关键数据、动作流程、设备状态和故障情况实时传输至地面监控中心，实现液压支架采煤过程的联网监控。在地面监控中心，采用先进的OPC技术，只需通过OPC接口访问OPC服务器的方法，不需要自己独立开发驱动程序，无须了解底层的硬件知识就可以实现读取硬件的数据，极大地简化了地面监控软件开发的复杂性，大大缩短了软件开发周期，提高了软件运行的可靠性和稳定性，同时也便于系统的升级与维护。采用OPC技术自主开发地面监控软件后，减少了对商业组态软件的需求，也降低了地面监控系统集成的费用。 

图4表示本实用新型液压支架非主从式联网监测控制系统自动采煤工艺流程图，具体过程如下： 

首先把采煤机安装在初始工位，初始状态时操作人员手动操作将所有支架推杆全部推出，推出长度等于割煤深度，并把煤机位置及前方数台支架的护帮板收回。操作人员可在任意一台满足条件的控制器上启动联动功能，考虑到采煤机位置的误差，联动启动后煤机前进到任意位置时，采煤机前方多台支架自动提前收护帮，采煤机前后数台支架自动喷雾一段时间，采煤机割完一段距离的煤离开后，后面的支架自动拉架、伸护帮和推溜。当采煤机到达端部后，采煤机回退反向运行割三角煤，采煤机后方的支架自动拉架，当采煤机离开蛇型曲线区域后，三角煤区的支架自动推溜，该推溜过程一直到端部，然后采煤机正向运行割三角煤，当采煤机再次到端部后，该方向的割煤过程结束，然后由操作人员决定是否反向割煤。系统具有自动检测采煤机方向的功能，如系统显示的煤机检测方向与实际的煤机方向不一致，则系统自动调整。 

对于专业技术人员来说由以上描述可得出一系列的改进，这些改进应纳入诸从属权利要求的保护范围内。 

Claims (9)

1.一种液压支架的非主从式联网监测控制系统，其特征在于，包括：

工作面支架控制装置(14)，工作面支架控制装置对采矿设备的位置、压力、行程进行数据采集进行运算和处理，通过电磁阀驱动器控制电磁阀的开关动作，进而控制液压缸的行程，实现液压支架的各种动作；

顺槽控制中心(1)，该顺槽控制中心将来自于工作面支架控制装置的输出信号进行处理，使采矿设备实现联动；以及

地面监控中心(5)，接收来自于顺槽控制中心的输出信号，对各个采矿设备动作状态、故障、数据和信息进行显示和采矿过程的联网监控。

2.根据权利要求1所述的液压支架的非主从式联网监测控制系统，其特征在于，所述工作面支架控制装置包括：位置传感器，该位置传感器用于采集采矿机的具体位置；以及

压力传感器，用于检测支架立柱下腔液压力；以及

行程传感器，检测推移千斤顶活塞杆移动行程；以及

支架控制器(13)，用于处理和显示各传感器采集的数据，将控制信号输出到电磁阀驱动器控制电磁阀的开关动作；以及

电磁阀驱动器，接收支架控制器发出的控制信号，经过逻辑运算处理后进行放大，驱动电磁先导阀开通或关闭，实现对液压缸行程和支架各种动作的控制。

3.根据权利要求2所述的液压支架的非主从式联网监测控制系统，其特征在于，所述工作面支架控制装置还包括钢丝编织橡胶护套连接器(10)，用于矿井下综合自动化采煤设备中各设备之间的电气连接。

4.根据权利要求2所述的液压支架的非主从式联网监测控制系统，其特征在于，所述工作面支架控制装置还包括本安型直流稳压电源(11)，将输入的交流电源变换为低压的直流电压输出。

5.根据权利要求2所述的液压支架的非主从式联网监测控制系统，其特征 在于，所述工作面支架控制装置还包括电源适配器(12)，用于向支架控制器供电，以及对相邻支架控制器之间电源和信号的隔离及传输。

6.根据权利要求2所述的液压支架的非主从式联网监测控制系统，其特征在于，所述工作面支架控制装置还包括隔离耦合器(15)，该隔离耦合器(15)用于相邻两个支架控制器之间电源和信号的隔离及传输。

7.根据权利要求2所述的液压支架的非主从式联网监测控制系统，其特征在于，所述位置传感器包括红外线发射器(9)，用于煤矿井下采煤机前进割煤时发送采煤机的位置；以及

红外线接收器，接收来自于红外线发射器发出的位置信号，并将该位置转换为电信号，传送给支架控制器。

8.根据权利要求1所述的液压支架的非主从式联网监测控制系统，其特征在于，所述顺槽控制中心(1)包括顺槽防爆控制计算机(2)，以及与该顺槽防爆控制计算机(2)连接的光纤交换机(3)。

9.根据权利要求1所述的液压支架的非主从式联网监测控制系统，其特征在于，地面监控中心(5)包括光纤交换机以及与该光纤交换机连接的地面监控计算机(6)。 

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