一、 课题来源及研究的目的和意义

我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，2007年全国原煤产量达25．23亿吨，

比上年增长9．9％，比年2002增长78．3％，5年内净增11．08亿吨，这在中国和世界煤炭工业史上都是空前的，煤炭作为主要能源的格局在今后50年内不会改变。但长期以来，煤矿安全状况一直是制约煤炭工业发展的重要因素。特别是进入上世纪90年代以来，世界主要采煤国家的煤矿安全状况己得到根本好转，尤其是美国和澳大利亚煤炭工业事故伤亡率己低于其他工业行业，成为最安全的行业。相比较而言，我国煤矿总体安全水平不仅远落后于工业发达国家，且落后于不少发展中国家。据统计资料，2002年，美国煤矿产商品煤13．68亿吨，事故死亡人数为36人；而我国产煤14．15亿吨，事故死亡人数高达6597人，是美国的183倍。到2007年，中国煤产量占世界的39％，而煤矿事故死亡人数占世界的80％以上，煤矿事故死亡率为美国的114倍。

从总体上看，我国煤矿事故仍然较多，个别地区重、特大事故时有发生，煤矿安全

生产隐患依然存在。除去人为因素，分析我国煤矿事故频发的客观原因，主要存在以下三点[1-2]：

1．煤层赋存条件差，瓦斯灾害严重。开采强度的不断增强，煤与瓦斯突出的

危险性也在不断增加，突出危险区域也在不断扩大。

2．地下水防治难度增大。近年来，随着煤矿开发生产的深度不断加大，水害

产生的条件、水害威胁的程度以及水害形成的机理都在发生着较大的变化，对分析并下突水的水源、导水通道和补给强度造成很大困难，从而增加了水害治理的难度。

3．采、掘、机、运、通各大系统新技术与新设备开发相对滞后。大多数新技术与新

设备处在摸索阶段，尚不成熟、不稳定。特别是井下设备监控系统的发展更是缓慢，无法适应越来越复杂的开采环境。在煤炭安全生产作业中，顶板的防护由过去的立木支柱换代成液压支架，对安全保障有了更进一步的提高，但液压支架在起到负载作用时，由于没有相应的监测系统，对于液压支架的运行状况浑然不知，虽有安全阀装置，但是无法显示液压支架的工作状态，而生产作业中顶板会下沉、剥落、塌方，有时因压力太大，将安全阀顶开，液压支架回落，造成人员伤亡，机械损坏等事故[3-4]。

本课题的任务就是实现对矿用液压支架的安全监测。矿用液压支架是综采工作面的

重要设备，它为采煤作业提供安全的工作空间，防止顶板上面的岩石掉落危及人身和设备安全[5-6]。矿用液压支架的支护状态立柱压力值、支架动作状态、采煤机位置和推移千斤项行程等参数值来表示，这些参数能及时反应采煤作业过程中顶板压力和设备自身状态的动态变化[7-10]。本课题研究开发了用于实时监测以上这些参数的矿用液压支架数据采集与预警系统，工作内容主要包括井下数据采集的软硬件设计、上位机通信网络设计和综采工作面的监控软件设计，从理论上实现了系统的短期预警功能[1-6]。

二、国内外在该方向的研究现状及分析

1、国外支架电液控制系统发展概况

在20世纪50年代，英国将液压支架的遥控技术列入研究计划，70年代中期，英国煤炭局提出研制电子控制液压支架。1981年，澳大利亚的科里曼尔煤矿最先将电子控制的液压支架用于长壁综采工作面。1983年底，英国原道梯公司为美国坎赛尔煤矿制造了两按钮式微处理机控制的液压支架，于1984年投产。1983年3月，英国原伽立克公司研制的“ELECTROFLEX"电液控制系统在“HemHeath"投入试验。1985年底英国原道梯公司又研制出第二代全工作面集中电液控制系统，该系统的主控制台及电源均布置在工作面运输巷内，可实现全工作面集中控制。德国80年代初开始大力发展液压支架电液控制系统。威斯特伐利亚公司与西门子公司于1978"-1984年间合作研制出德国第一套支架电子控制装置--Panermatic2E系统。1986年又研制出Paner2--matic2S5支架电控系

统。1987年威斯特伐利亚公司与MARCO公司合作研制出PM2电液控制系统，1990年又研制出更为先进的PM3支架电液控制系统，技术上已相当可靠，在全世界得到广泛推广应用。

90年代，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，这时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。到了90年代后期威斯特伐利亚公司自行改进推出PM4系统，而MARCO公司改进推出PM31系统[21,24-28]。

除此之外，日本三井三池株式会社、英国原米柯公司、德国原赫姆夏特公司(现合并为DBT公司)、波兰EMAG以及法国、俄罗斯等国家也都先后研制成功支架电液控制系统，并推广使用。早在1984年，美国在西弗吉尼亚州拉弗里吉煤矿装备了第一个使用原英国道梯公司制造的装有电液控制系统的液压支架的高产高效工作面，并取得成功。

目前，液压支架电液控制系统技术已得到了快速的发展，其控制功能不断扩大，电液控制阀组已由原来的电磁先导阀控制主阀组的电液控制系统，改进为微型电机电液控制系统，大大加快了移架速度。同时，目前的控制系统对工作面条件的适应能力不断增强，可靠性也得到大幅度提高。目前，国外液压支架电液控制技术已发展到相当成熟的阶段，美国、澳大利亚、南非等国家的煤矿新装备的综采工作面几乎全部采用电液控制的液压支架[29]。

2、国内支架电液控制系统发展概况

我国研制液压支架电液控制系统起步较晚，自80年代中期才开始研制液压支架电液控制系统。1991年北京煤机厂研制出第一套BMJ2 I型支架电液控制系统，在晋城古书院煤矿进行了井下工业性试验，并于1992年4月通过初步鉴定，在此基础上改进的第二代BMJ2 II型支架电液控制系统(20架)，于1992年12月至1995年5月在井下进行工业性试验，但从此即被撂置一边。郑州煤机厂1991年5月研制出DYZK2 I型支架电液控制系统，于1992年5月在大同四台矿完成20架井下工业性试验，在I型的基础上又经过多次改进，于1993年9月开发出DYZK2 II型支架电液控制系统，在邢台煤矿进行井下工业性试验并通过鉴定，从此DYZK2型支架电液控制系统停止研发。国家为上述两厂支架电液控制系统科研项目投入的经费近300万元，却未能得到推广。煤科总院太原分院研制的YLT型支架电液控制系统，于1996年在大同矿务局马脊梁矿进行了国内第一个全套工作面井下工业性试验，并于1997年7月通过鉴定，又于1998年在东胜补连塔煤矿进行了16架试验，现已撤出。国家和协作单位先后为该项目投入科研经费达500多万元[2l，24,26-31]。

由此看出，我国液压支架电液控制系统研制已经历了十几年时间，至今仍未得到推广。许多高产高效工作面所用电液控制系统液压支架还需从国外进口。从我国已研制出的支架电液控制系统来看，也还处于单架和成组程序控制的初步阶段，而液压支架与采煤机、输送机联动的全工作面自动化控制还处在探讨研制阶段，但随着我国科技水平的不断提高，我国液压支架电液控制技术会逐渐趋于成熟并在井下得到推广使用[21]。

三、主要研究内容

本课题是在全面分析比较国际主流液压支架电液控制系统控制方案的基础上，以ZY9400/28/62型掩护式液压支架本体为控制对象，开发出以CAN总线为网络通讯总线，以PLC为控制器的液压支架控制系统。关键是解决液压支架各种动作问题，围绕这一主题，所开展的工作如下：

1、液压支架控制系统整体方案设计。在对国际上三大主流液压支架控制系统控制方案进行分析的基础上，确定以PLC为控制器的整体控制方案。围绕整体方案，定制符合煤矿安全要求的PLC，对推移千斤顶行程传感器、立柱压力传感器，采煤机位置检测红外传感器、人机界面、电源箱等外围硬件进行选型。

2、液压支架控制系统软件设计。液压支架控制系统为主从方式，对CAN应用层协议进行设计，着重解决了液压支架控制器之间的CAN通讯，并分别对其主站和从站进行软件设计，实现了邻架单动作控制、邻架联动控制、成组控制、自动补压、声光故障报警、信息查询等功能。

3、液压支架控制系统上位机监控软件设计。采用国内使用广泛的工业控制组态软件组态王6.51，开发出本液压支架的上位机组态程序，实现了上位机对综采工作面各个液压支架工作状态和错误报警的实时监测控制。

4、液压支架控制系统的测试及实验。按照液压支架控制系统的功能要求，对液压支架控制系统各个功能进行离架测试和联架试验，并制定了操作规程。

四、研究方案及进度安排，预期达到的目标

1、研究方案

本课题经过大量的调研和分析，比较参考国际上主流的控制器玛珂、EEP、DBT等公司的液压支架控制系统，设计整体控制方案。整个系统中单元的数量由工作面长度所决定，多的可达200多个。液压控系统采用主从控制方式，以CAN现场总线作为通信总线。每四台液压支架分配一个电源箱，地面工作室通过以太网与支架控制器主站进行通讯。系统由支架控制器(主站和从站)、液压系统、压力和位移传感器、液压支架等组成。支架控制器主站和所有的支架控制器从站通过CAN现场总线进行互联，构成综采工作面液压支架控制系统。

2、进度安排

2011.10.18-10.25：了解课题背景，掌握相关知识；

2011.10.26-11.01:完成课题基本方案；

2011.11.02-11.09:设计成型的方案和应用系统；

2011.11.10-11.17:根据内容和结构编写提纲；

2011.11.18-2012.03:初步完成论文草稿；

2011.03.26-2012.04：修改并完善论文；

2012.04-05：完成论文并准备答辩

3、预期目标

设计控制系统的硬件结构，采用PLC作为主控制器和CAN作为网络通讯，然后

进行对外围系统进行硬件选型以及PLC地址分配，实现人机界面设计；

设计CAN应用层协议以及支架控制器之间的CAN通讯，根据功能要求，设计支架控制器主站及从站软件流程，实现了本架推溜、邻架单动作操作、邻架联动操作、成组自动操作等功能；

实现对综采工作面液压支架实时监控，制定操作规程。

五、为完成课题已具备和所需的条件

是德国EEP公司的PRA matic Reedstab PRll6．020位移传感器、PRA matie Drucksensor压力传感器、红外线位置传感器，型号为Type 1134 PRll6·035、PRll6．081．D电源箱等。

六、预计研究过程中可能遇到的困难和问题，以及解决的措施

论文工作中可能对液压支架控制系统选择比较难觉，当前国际上主流的液压支架电液控制系统在中国应用广泛的有：德国MARCO(玛珂)公司的PM31、德国DBT公司的PM4和德国EEP公司的Pra matic，现从液压支架控制系统的总体结构、网络通讯总线和支架控制器三方面进行比较分析。

1主流液压支架控制系统总体结构比较

2主流液压支架控制系统网络通讯总线的比较

3主流液压支架控制系统支架控制器的比较

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