液压支架电液控制及工作面自动化技术综述

1、液压支架电液控制及工作面自动化技术综述第35卷第11期煤炭科学技术2007年11月液压支架电液控制及工作面自动化技术综述李首滨，韦文术,牛剑峰(天地科技股份有限公司北京天地玛珂电液控制系统有限公司，北京100013)摘要:介绍了支架液压技术，液压支架电液控制系统及工作面自动化技术发展历程, 分析了各阶段技术发展特点，展望了未来技术发展趋势.关键词:液压支架;电液控制;工作面;自动化中图分类号:TD355.4文献标志码:B文章编号:02532336(2007)11000105Statementonelectricandhydrauliccontrolofhydraulicpoweredsuppo

2、rtandminingfaceautomationtechnologyLIShou-bin,WEIWenshu,NIUJian-feng(BeijingandiMarcoElectricandHydraulicControlSystemCompanyLtd.,TiandiScienceandTechnologyCo.Ltd.,Beijing100013,China)Abstract:Thepaperintroducedthedevelopmenthistoryofthehydraulicpoweredtechnology ofthehydraulicpoweredsuppo,theelectr

3、icandhydrauliccontrolsystemofthehydraulicpoweredsuppoandcoalminingfaceautomationtechnology.Thepaperanalyzedthetechnologydevelopmentfeaturesofeachstageandhadoutlookonthetechnologydevelopme nttendencyinthefuture.Keywords:hydraulicpoweredsuppofl;electricandhydrauliccontrol;coalminingface;automation1概述液

4、压支架电液控制工作面自动化控制系统是工作面生产管理的必要手段，是提高工作面产量和工效的重要途径.工作面自动化控制系统是以网络技 术为基础，似液压支架电液控制系统为核心，使用 遥测技术，实现采煤机位置检测和液压支架跟随采 煤机截割行进的移架自动控制，同时，实现工作面 设备的监测监控综合管理.采用液压支架移架技 术,采煤机截割高度自动控制技术和工作面信息网 络系统，形成生产过程自动化.2液压支架电液控制及工作面自动化技术 发展历程2.1支架液压技术自20世纪50年代英国研制出第一套垛式支架 以来，液压支架控制系统经历了手动本架控制,手 动邻架液压控制,手动先导邻架液压控制和电液程 序控制几个发展阶

5、段.液压支架控制技术从单纯的 机械,液压领域发展为机械，液压，电气，微电 子,信息网络等领域紧密结合的自动化控制体系. 液压控制技术作为该体系的基础，在各个发展阶段 具有不同的特点.初期的液压支架控制功能数少， 对移架速度要求低，液压系统流量较小，操纵阀采 用转阀为典型结构.为了提高操作的安全性，液压 支架的控制方式改进为邻架操作，相邻两架问操纵 阀通过多根高压胶管连接.随着采煤机牵引速度的 提高，对液压支架移架速度提出了较高的要求.液 压系统的流量不断增大，要求操纵阀等主要控制元 件的过流能力进一步加强.为了减小大流量操纵阀 的操作力矩，操纵阀设计采用先导控制结构，液压 系统由直接控制发展为

6、先导控制方式.相邻两架原 有的操纵阀由多根高压胶管连接方式也逐渐被单根 多芯胶管代替.同时，液压支架支护功能逐渐增 多，液压系统的控制功能变得日益复杂.我国自20世纪70年代末引进100套液压支架 以来，对支架液压控制系统的研究经历了消化吸 收，合作开发到自主研制的过程，形成了具有独特 优势的手动直接控制,手动邻架控制的液压系统及 其全套液压元件.2.2液压支架电液控制技术早在20世纪50年代英国就已将液压支架的遥 1第35卷第ll期煤炭科学技术2007年11月 控技术列入研究计划，到20世纪80年代末至90 年代初，随着微电子技术的发展，由英国道梯公司 首先研制出全工作面电液控制系统，紧随其

7、后威斯 特伐利亚与Marco公司合作研制出Pm2电液控制 系统，并发展为现有的Pm4和Pm32两个独立的分 支,各公司都在积极开展自己的电液控制系统，这 个时期的电液控制系统特点是,系统功能简单，稳 定性差，产品不断升级改造，逐步完善.到20世 纪90年代中期，随着电子技术的迅猛发展，特别 是嵌入式系统的发展,涌现出多种新型材料，使电 液控制技术水平进一步提高,电液控制系统技术已 经成熟，并逐步形成3种结构形式支架控制单元的 电液控制系统，第一种结构形式的支架控制单元是 由支架控制器，电磁驱动器和传感器等组成,第二 种结构形式的支架控制单元是由支架控制器，人机 界面，驱动器和传感器等组成，第三

8、种结构形式的 支架控制单元是由支架控制器和传感器等组成,3 种结构特点的电液控制系统并存发展，其中第一种 结构特点的电液控制系统是我国支架电液控制的主 流产品，市场占有率在85%以上.这个时期的电 液控制系统基本采用嵌入式操作系统，具有速度 高,容量大，集成度高，并内嵌操作系统,具有良 好的性能.我国自1997年引进第一套全工作面电液控制 系统以来,电液控制系统的发展速度逐年增长,目 前全国已有100多套电液控制系统,2005年以后， 电液控制系统的研制也日趋成熟,尤其是天地玛珂 公司与德国Marco公司合作开发的产品在我国得到 广泛的应用.2.3工作面自动化技术20世纪90年代以来,世界煤矿

9、工业向高效集 约化生产迅猛发展,工作面自动化控制程度不断升 级,高可靠性防爆工业控制计算机被应用到井下， 工业以太网,现场总线技术(国际上现有的Modb- us,Profibus,CCLink)被成功运用到控制网络 中,成熟的全自动刨煤机，采煤机综采工作控制技 术实现了工作面的跟机自动化.我国煤矿工作面自动化控制技术刚刚起步,目 前仅在进口装备的基础上实现部分自动化功能.自 2001年，北京天地玛珂电液控制系统有限公司已 先后在兖州，神华，潞安，淮南等煤炭生产企业实 现工作面自动化系统集成,工作面自动化集成控 制,液压支架跟机自动化等功能.23液压支架电液控制及工作面自动化技术3.1支架液压控

10、制技术大流量液压系统.现有的高工作阻力液压支架的支护工作阻力为600010000kN，支护 高度为25m,支架立柱缸径为250380mm, 推移缸径为160200mm，推移行程为8001000mm.由于液压支架主要液压缸缸径的增大，为了 提高移架速度，增大液压系统流量是必要的手段. 另外，随着工作面长度不断增加，一些工作面长度 超过300m，使得主管路的沿程阻力损失成为影响 液压支架移架速度的主要因素.所以，主供，回液 管路通径不断增大，并采用多路并联供，回液系统 成为发展趋势.在大流量液压系统的发展方面,国内系统在泵站的额定流量和额定压力等技术参数与国外先进水 平相当,但国内液压系统在液压元

11、件的合理匹配， 能量的利用效率，负载平衡能力等方面与国外先进 水平存在差距.主要表现在:对工作面液压系统， 支架液压系统和液压元件的动态性能的理论分析和 试验测试;主管路沿程阻力损失和元件的局部阻力 损失分别对液压支架移架速度的影响程度的比较缺 少定量分析;工作面液压系统对负载的动平衡能力 缺少理论分析和先进的测试手段.电液控换向阀.电液控换向阀是液压支架电液控制系统的关键部件，它由电液先导阀和主 阀组成.电液先导阀采用电磁铁为机一电转换装 置，其特点是技术成熟，性能稳定可靠;主阀采用 整体插装式结构，便于维护和更换.所有金属零件 均采用不锈钢或铜合金等防锈耐腐蚀材料，使用寿 命超过30000

12、次，额定流量为400L/min.国外已 有多种结构的电液控换向阀产品,以德国DBT公 司为代表的金属一塑料密封，浮动回液阀座结构主 阀和直动平面塑料密封的电磁先导阀;以德国 Marco公司为代表的集金属一塑料密封，浮动回液 阀座结构和差动功能阀芯于一体的插装式主阀和放 大杠杆推动的陶瓷密封结构电磁先导阀;以美国 JOY公司为代表的金属一塑料软密封滑阀结构的插 装式直动控制主阀和直动式陶瓷密封结构电磁先导 阀及以德国Tiefenbach公司为代表的金属一金属硬 密封对顶结构的插装式主阀和放大杠杆交叉推动的 陶瓷结构电磁先导阀.以上4种典型结构的电液控 换向阀均已得到广泛应用，性能稳定.国内天地玛

13、第35卷第11期煤炭科学技术2007年11月 珂公司2005年研制完成的整体插装式电液控换向 阀取得了安标证书，分别在伊泰集团宏景塔矿，兖 矿集团济三矿，国投新集刘庄矿和西山集团杜儿坪 矿使用.该阀采用整体插装式结构，并且全部选用 不锈钢等防锈，防腐材料，电磁先导阀，主阀，精 密过滤器，进液单向阀和回液单向阀集成于一体.与国外产品比较，在额定压力，额定流量,密封性 能和产品可靠性方面均达到国外先进水平;结构设 计的可加工性能较国外产品好,结构更加紧凑.在 主阀阀芯的拆卸方面不及国外产品方便.另外，国 产不锈钢材质未达到进口水平.大流量辅助阀.DBT，Tiefenbach和JOY 公司的大流量液

14、控单向阀，大流量安全阀的额定流 量能达到500L/min，额定压力能达到50MPa.国 内天地玛珂公司的大流量液控单向阀在技术参数指 标上已经达到国外先进产品的水平，但在瞬态冲击 的理论分析和测试方式上，与国外有差距,在如何 控制瞬态冲击方面缺少定量分析的依据;国内安全 阀的最大额定流量为320L/min,压力为45MPa, 与进口产品相比，还有一定差距.(4)工作介质过滤系统.国外液压支架电液 控制系统的工作介质拥有一套分级多层次过滤的完 整过滤体系.从泵站输出的高压液体经过电动 (或手动)控制反冲洗高压过滤站或者全液压控制 射流反清洗高压过滤站过滤后，在进人每架液压支 架前再通过手动或电动

15、反冲洗过滤器进行过滤，保 证支架液压元件工作介质的清洁，最后在电磁先导 阀进液口配有精密的安全过滤器，用于过滤架内液 压元件磨损产生的微小颗粒，保证电磁先导阀不被 污染.过滤器采用全不锈钢滤芯，过滤精度在25 otm以上，滤芯能承受20MPa以上的压差.国内 对工作介质过滤系统的研究起步较晚,2006年， 天地玛珂公司已经研制出了电动和手动控制反冲洗 高压过滤站以及手动反冲洗过滤器等产品,过滤器 滤芯采用不锈钢材质，精度达到25otm.但国产滤 网与德国进口滤网相比,从材质和生产工艺还有差 距，国产滤芯只能承受10MPa以下压差.另外， 国内液压支架电液控制系统工作介质过滤及检测体 系还没有建

16、立，液压支架制造商和煤矿用户没有一 个可以执行的标准,对工作介质清洁度的保持在认 识上存在偏差，也没有形成一个有效的操作规程， 往往由于液压支架出厂和井下安装调试初期，液压 缸和管路系统清洁度达不到要求，造成过滤站和过 滤器滤芯严重堵塞，击穿失效，导致液压阀，尤其 是电磁先导阀损坏的现象.3.2液压支架电液控制系统早期的支架电液控制系统是由单片机系统组成 的计算机系统，由于当时处于单片机发展初期，控 制系统具有的特点是速度慢，容量小,I/O少，芯 片的集成度低，系统资源不足，一般需要使用外围 芯片进行扩充，来满足用户需求.当时主要采用 Z80和C51系列单片机进行电液控制系统的开发, 控制系统

17、的时钟速度为48MHz，程序存储器和 数据存储器的容量不大于64kB，系统主要采用 485或非标准通信接口，操作软件普遍采用汇编语 言完成，开发周期较长.进人20世纪90年代后， 随着计算机技术的迅猛发展，计算机技术从速度， 容量和集成度都有了较大的提高，出现了嵌人式系 统并不断发展，电液控制系统时钟速度可达22 MHz以上，程序存储器和数据存储器的容量都达 到了 512kB，CAN总线，以太网技术在电液控制 系统中得到了成功的应用，软件设计采用以C语 言为主，汇编语言为辅，采用交叉汇编的方式进行 编程，内嵌操作系统,采用抢先多任务调度方式进 行多任务管理，提高了软件的实时性能，缩短了开 发周

18、期.随着新型的OLED显示材料的出现，控制 系统也逐步采用了汉化的人机交互界面，随着功率 驱动芯片技术，贴片技术的不断发展，使电液控制 技术不断提高，电液控制系统已经成熟.3.3工作面自动化系统自动化系统集成.将采煤机，支架电液 控制系统,工作面三机通信控制系统，泵站控制系 统，带式输送机通信控制系统及供电系统有机结合 起来，通过本安型工业以太网交换机，接人到矿井 环网,实现各个子系统数据上传;实时在线监测工 作面设备工况及故障并传输到工作面巷道和地面计 算机;实现在地面调度指挥中心对综采工作面设备 的远程监控以及各种数据的实时显示等;通过互联 网络发布和OPCServer技术，实现非现场监测

19、工 作面生产情况.（2）自动化集中控制.将采煤机电控系统（随采煤机成套）,支架电液控制系统,工作面三 机通信控制系统,泵站控制系统（乳化液泵站和 喷雾泵站），带式输送机通信控制系统及供电系统 有机结合起来，并接人矿井自动化系统的以太网， 实现带式输送机及工作面设备的集中控制,保护，第35卷第11期煤炭科学技术2007年11月 闭锁，沿线通信等功能，确保各设备协调,连续， 高效，安全运行.可以对带式输送机,工作面破 碎，转载，前后部刮板输送机实现单点启停控制， 联锁启停控制，闭锁，保护等功能;实现乳化液泵 和喷雾泵的单点启停控制,自动化控制，保护等功 能;实现工作面内运输能力和落煤量的自动匹配；

20、 实现根据煤仓仓位对生产设备的自动控制等.（3）以采煤机位置为依据的支架自动控制（跟机自动化）.要实现液压支架跟随采煤机自动 操作，首先液压支架电液控制系统要获得采煤机运 行的当前位置和牵引方向，通过2种方法获得采煤 机位置即红外线法和与采煤机数据通信法,2种方 法互为备用.其次，根据采煤工艺的要求编制程 序,通过参数调整，在工作面不同位置不同区段支 架控制器控制支架完成不同的工艺动作，如自动收 护帮板,自动移架启动伸护帮板启动推刮板输 送机，自动控制放顶煤，自动拉后部刮板输送机 等.4液压支架电液控制及工作面自动化技术发展趋势4.1支架液压控制技术高工作阻力支架大流量液压系统的动态 特性深入

21、研究.国内对于强力支架大流量液压系统 的设计，往往是以普通支架液压系统的设计经验为 基础，结合国外大公司为样板的模式来完成的.由 于对全工作面支架大流量液压系统的动态特性研究 不充分，经常会出现局部控制回路或部分液压元件 不能满足实际生产需要的情况.充分利用流体计算 软件,对液压系统动态过程进行理论计算，为工作 面主供，主回液压系统管路及其液压元件进行合理 匹配，将液压系统从传统的经验设计转化为定量设 计,是将来发展的方向.乳化液泵站本安型电磁卸荷阀及多级泵源智能联动系统的建立.普通机械泵站卸荷阀由于 受弹簧刚度的限制,造成其在卸荷阀工作过程中， 系统压力波动范围较大,一般在5MPa左右.全工

22、 作面液压支架组成一个庞大的分布式液压系统,工 作状况复杂,不同支架同时工作时关联性很强，往 往造成主供液系统压力波动很大，有时会影响到支 架动作的可靠性.研制一种压力波动范围在1MPa 以内的泵站本安型电磁卸荷阀，及以电磁卸荷阀为 载体，多极泵源智能联动系统，即当主供液管路压 4力降至某一点压力值时，启动另一台或多台泵源； 当系统压力升高至某一压力区域时，关闭一台或多 台泵源.这样不仅改善了主供液系统的压力波动状 况,也有效利用了泵源.高初撑力自动保证系统的研究.由于受 大流量乳化液泵源工作压力的限制，液压支架初撑 力和工作阻力相差太大.有些强力支架立柱安全阀 调定压力在47MPa以上，而液

23、压系统工作压力大 多在2830MPa，这样初撑力还不及工作阻力的 2/3,不利于对顶板的有效支护.提高初撑力，研制高初撑力自动保证系统在国内已经进行了多年的 研究，积累了丰富经验，但至今仍然没有一套完整 的解决方案.随着电液控制系统应用日趋成熟，如 何利用电液系统控制方式的灵活性，研究出一套实 用可靠使用方便的高初撑力自动保证系统也是支架 液压技术的发展趋势.支架液压系统污染控制及检测体系建立与研究.国产支架电液控制系统中因工作介质污染 造成电磁先导阀损坏的比例远高于全套液压支架进 口的电液控制系统.究其原因，主要是国内没有建 立一套完整适合电液控制液压系统的污染控制及检 测体系标准.现有标准

24、不能满足电磁先导阀等高精 密液压元件的使用要求.这样，在国内不同制造商 之间不能按原装进口液压支架那样遵照同一标准体 系,对所有液压缸，管路辅件，液压元件等装配环 境进行统一要求.表现的直接后果是，国产支架安 装初期电磁先导阀因介质污染损坏数量较多，经过一个多月更换后，电磁先导阀损坏数量明显减少， 达到甚至少于全套进口液压支架的水平.另外，由于国内支架液压系统过滤体系及标准 没有建立,加上工作介质，过滤芯性能以及过滤系 统的检测，检修，维护不到位等原因的影响，造成 短时间内过滤系统失效,电液控制系统工作状况受 到极大的威胁.要改变以上状况，有必要对支架液 压系统污染控制及检测体系进行研究，建立

25、支架液 压系统分级过滤体系，并制定过滤系统标准.4.2液压支架电液控制技术支架控制器研究.支架控制器是电液控制系统的核心，其主要研究发展方向是解决薄煤 层，放顶煤等特殊条件下的电液控制系统应用技术 难题，采用遥控技术实现电液控制系统的远距离遥 控操作，进一步增强工作面支架控制器的控制功 能，使控制软件智能化，通信网络系统向国际现场第35卷第11期煤炭科学技术2007年11月 总线标准靠拢，增强网络功能，提高网络速率和运 行效率，并将支架控制器网络系统汇入矿井环网.电液控制系统监控主机研究.与工作面的采煤机，刮板输送机，转载机等其他设备之问实 现接口，实现相互联动，协调工作，使工作面向无 人自动

26、化方向发展.电源系统研究.进一步增加电源箱的输 出功率，电源系统向大容量，智能开关型方向发 展，减少电液控制系统使用电源箱的数量,同时为 本安型监控主机的研究开发创造条件.新型传感器研究.采用新技术，新材料，研究开发新一代智能型传感器，进行煤岩分解传感 器及其分析软件的研究，为放顶煤支架等应用提供 技术条件.4.3工作面自动化技术从提高资源利用率，降低员工劳动强度，保障 安全生产的高度出发，实现工作面无人化生产是工 作面自动化控制系统的发展趋势.然而，实现工作 面无人化生产还需要解决几个关键技术问题,如工 作面采用的控制网络技术,无线接入技术,煤岩识 别技术，适用不同采煤工艺的液压支架电液控制系 统的自动控制技术等.5结语液压支架电液控制及工作面自动化技术是实现煤矿安全高效开采的关键技术,是实现高产高效工 作面的必要条件,随着电液控制技术及工作面自动 化技术的不断发展，国产液压支架电液控制及工作 面自动化系统将有较大的发展.作者简允:李首滨(1968 )，男，辽亍法库人，高级工程师，长期从事煤矿综采工作面自动控制和监