一种煤矿井下用顶管救援装备控制系统的制作方法

本实用新型涉及煤矿井下灾后救援技术，特别是煤矿井下灾后救援通道快速构建顶管装备用安全、高效控制系统。

背景技术：

煤矿瓦斯爆炸、顶板垮塌等煤矿常见灾害均具有突发性、灾难性、破坏性等特点，一旦事故发生，矿井系统遭受严重破坏，会造成安全通道堵塞、通风系统破坏、严重缺氧，导致大量人员伤亡。坍塌巷道的灾后救援本身不仅在时间上具有紧迫性，还需要考虑安全、快速、高效等多方面影响因素。目前，国内外还没有应用顶管机在煤矿井下垮塌巷道构建救援通道的案例，传统顶管装备控制系统应用于煤矿救援领域时，存在诸多缺陷。

其一，传统顶管装备控制系统不具备环境监测和救援人员生命体征监测功能，无法保证救援行动的安全性。

其二，由于传统围岩界面与垮塌巷道环境的巨大差异，传动顶管装备控制系统不具备煤矿井下垮塌巷道异常工况快速识别能力。

其三，传动顶管装备控制系统采集数据量少，通讯实时性低，抗干扰能力差，无法满足顶管救援装备整机高度信息化实时通讯和鲁棒性的要求。

传统顶管装备应用于煤矿，其控制系统不具备环境监测功能、生命体征监测功能、异常工况识别功能，无法满足快速、安全、高效的救援需求，同时传统顶管装备控制系统网络架构层次较低，数据通讯多采用轮询类通讯方式，传输数据量小，实时性低，抗干扰能力差，极易出现故障。

技术实现要素：

为解决上述问题，本实用新型提出的一种煤矿井下用顶管救援装备控制系统解决传统顶管机无法实时监测环境参数、无法监测救援人员生命体征、无法识别异常工况、数据传输速率慢、抗干扰能力差等问题。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种煤矿井下用顶管救援装备控制系统，其用于控制设置在工作巷道内的煤矿井下用顶管救援装备，煤矿井下用顶管救援装备具有主顶油缸、用于驱动主顶油缸工作的主顶液压泵站、中继环、用于驱动中继油缸工作的中继液压泵站、用于驱动中继环工作的中继液压油缸、机头、用于驱动机头工作的机内液压泵站和用于驱动机头顶入方向的纠偏油缸；煤矿井下用顶管救援装备控制系统包括数据交换总线、以及分别和数据交换总线信号连接以形成数据交换的主顶控制器、机内控制器、中继控制器、监控单元和无线遥控单元，其中

主顶控制器具有分别与其信号连接的监控单元的操作面板、环境参数检测单元、主顶状态检测单元、巷道电机驱动单元、主顶液压控制单元和刀盘调速单元；

机内控制器具有分别与其信号连接的环境参数检测单元、机内状态检测单元、机头姿态检测单元、生命体征检测单元、机内电机驱动单元、机内液压控制单元；

中继控制器具有分别与其信号连接的环境参数检测单元、中继电机驱动单元、中继状态检测单元、中继液压控制单元；

监控单元，其包括操作面板和显示器，监控单元用于获取主顶控制器、机内控制器、中继控制器的检测数据，所述操作面板的输入信号与主顶控制器连接；主顶控制器将操作面板发出对中继环和机头的控制指令发送到总线上，机内控制器、中继控制器通过总线接收到相应的指令后对煤矿井下用顶管救援装备进行控制；

无线遥控单元，由信号发射器和信号接收器组成，无线遥控单元用于无线遥控煤矿井下用顶管救援装备工作。

作为优选的，所述无线遥控单元对煤矿井下用顶管救援装备的操作权限高于监控单元的操作面板，且在无线遥控单元对煤矿井下用顶管救援装备的操作时，切断监控单元的操作权限。

作为优选的，所述机内控制器和/或中继控制器具有与其信号连接的照明单元。

作为优选的，所述机内控制器具有与其信号连接的视频单元。

作为优选的，所述环境参数检测单元有若干个且分别布置在工作巷道、机头内部和中继环内，环境参数检测单元由甲烷传感器、一氧化碳传感器、氧气传感器组成，以实时检测周围环境气体浓度参数。

作为优选的，所述主顶状态检测单元由压力传感器、液位传感器、位移传感器组成，其中压力传感器安装于主顶液压泵站内，用于检测主顶油缸的压力；液位传感器安装在主顶液压泵站的油箱上，用于检测油箱的油位，防止液位过低造成油泵吸空；位移传感器安装在主顶油缸的内部，用于检测主顶油缸的伸出距离；

所述巷道电机驱动单元安装于工作巷道，用于控制主顶油泵电机的启动、停止，对电机进行过载、过流、漏电、过压、欠压保护；

所述主顶液压控制单元安装在工作巷道内，用于控制主顶油缸伸、缩动作以及主顶油缸伸、缩速度调；

所述刀盘调速单元安装在工作巷道内，用于控制刀盘电机启动、停止，刀盘电机的转向和刀盘电机的转速，并向主顶控制器反馈刀盘电机的工作频率、工作电压、工作电流、工作状态以及报警信息。

作为优选的，所述机内状态检测单元由压力传感器、液位传感器、位移传感器组成，压力传感器安装于机内液压泵站上，用于检测纠偏油缸的压力；液位传感器安装在机内液压泵站的油箱上，用于检测油箱的油位，防止为过低造成油泵吸空；移传感器安装在机内的纠偏油缸上，用于计算纠偏油缸的伸出距离；

机头姿态检测单元由安装在机头内的双轴倾角传感器组成，实时检测机头的姿态数据，机内控制器通过对双轴倾角传感器的数值进行计算得到机头7的倾斜角度和旋转角度；

生命体征检测单元实时检测人的心率指标，当生命体征检测单元检测到人体生理参数后，发送信号到机内控制器

机内电机驱动单元安装于机头内，用于控制机内液压泵站的电机启动、停止，对电机进行过载、过流、漏电、过压、欠压保护；

机内液压控制单元安装在机头内，负责控制四根纠偏油缸的伸、缩动作。

作为优选的，所述中继电机驱动单元安装于中继环内，用于控制中继液压泵站电机的启动、停止，对电机进行过载、过流、漏电、过压、欠压保护；

中继状态检测单元由压力传感器、液位传感器、位移传感器组成，所述压力传感器安装于中继液压泵站上内，用于检测中继油缸的压力，中继控制器103将检测到的压力值转换成中继油缸的顶力值，从而起到对中继油缸的顶力上限的保护；液位传感器安装在中继液压泵站的油箱上，用于检测油箱的油位，防止为过低造成油泵吸空；位移传感器安装在中继油缸上，用于计算中继油缸的伸出距离；

中继液压控制用于控制中继油缸的伸、缩以及伸缩调速控制。

作为优选的，所述数据交换总线为can总线。

使用本实用新型的有益效果是：

本实用新型设计的是一种煤矿井下用顶管救援装备控制系统，用于解决传统顶管装备应用于煤矿灾后救援领域其控制系统水土不服的问题，是煤矿井下坍塌巷道救援通道快速构建技术的重要的组成部分。控制系统安装了机内压力传感器、刀盘电机电流传感器、刀盘电机转速传感器、主顶压力传感器、油缸行程传感器，保证了异常工况快速准确的识别；为保证救援环境和救援人员自身安全，一方面顶管救援装备控制系统通过布置在工作巷道、机头内和中继环内的环境参数检测单元，实时感知环境状态，另一方面通过生命体征检测单元实时监测参与救援人员的生命体征信息，人员生命体征参数异常时，控制系统立即通知附近人员前往查看。

附图说明

图1为本实用新型中煤矿井下用顶管救援装备控制系统架构图。

图2为本实用新型中顶管救援装备环境参数检测单元和主顶状态检测单元、机内状态检测单元、中继状态检测单元布置示意图。

附图标记包括：

1-工作巷道、2-主顶液压泵站、3-主顶油缸、4-中继环、5-中继液压泵站、6-中继油缸、7-机头、8-机内液压泵站、9-纠偏油缸、10-辅助巷道、11-甲烷传感器、12-一氧化碳传感器、13-氧气传感器、14-压力传感器、15-液位传感器、16-行程传感器、17-双轴倾角传感器、18-刀盘；

101-主顶控制器、102-机内控制器、103-中继控制器、104-无线遥控单元、105-监控单元、106-环境参数检测单元、107-主顶状态检测单元、108-巷道电机驱动单元、109-主顶液压控制单元、110-刀盘调速单元、111-机内状态检测单元、112-机头姿态检测单元、113-视频单元、114-生命体征检测单元、115-机内电机驱动单元、116-机内液压控制单元、117-照明单元、118-中继电机驱动单元、119-中继状态检测单元、120-中继液压控制单元、121-can总线。

具体实施方式

为使本技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本技术方案进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而不是要限制本技术方案的范围。

如图1、图2所示，本实施例提供了一种煤矿井下用顶管救援装备控制系统，其特征在于满足快速、安全、高效的救援需求。顶管救援装备控制系统由主顶控制器101、机内控制器102、中继控制器103、监控单元105、无线遥控单元104、环境参数检测单元106、主顶状态检测单元107、电机驱动单元8、主顶液压控制单元109、刀盘调速单元110、机内状态检测单元111、机头姿态检测单元112、视频单元113、生命体征检测单元114、机内液压控制单元116、照明单元117、中继状态检测单元119、中继液压控制单元120组成，其中主顶控制器101、机内控制器102和中继控制器103为顶管救援装备控制系统的核心，其它装置为信号发送或动作执行机构。

主顶控制器101位于工作巷道内，负责接收监控单元105的操作面板的控制指令，经过逻辑运算处理，将控制指令发送到can总线121上；同时接收环境参数检测单元106、主顶状态检测单元107的信号，经过运算处理后，将数据发送到can总线121上。主顶控制器101给电机驱动单元8、主顶液压控制单元109和刀盘调速单元110发送控制指令。

监控单元105安装于工作巷道，由操作面板和hmi显示器组成，操作人员通过操作面板按钮对顶管救援装备进行操控，通过hmi显示器通过读取can总线121上的数据，监测顶管救援装备运行状态及参数。

无线遥控单元104由信号发射器和信号接收器组成，信号接收器与主顶控制器101共同安装在同一控制箱体内，信号发射器为携带式可移动设备，操作者可使用信号发射器对顶管救援装备进行操控，操作者采用信号发射器操控顶管救援装备时，操作面板无法对顶管救援装备进行操控。信号发射器将操作者的控制指令无线传输给信号接收器，信号接收器将接收到的控制指令信息发送到can总线121上，主顶控制器101、机内控制器102和中继控制器103可同时共享can总线121上的控制指令信息。

环境参数检测单元106由甲烷传感器11、一氧化碳传感器12、氧气传感器13组成。上述的传感器根据煤矿要求要求，各有若干个，分布在工作巷道、机头内部和中继环内，实时检测周围环境气体浓度参数。

主顶状态检测单元107由压力传感器14、液位传感器15、位移传感器16组成。压力传感器14安装于主顶液压泵站2内，用于检测主顶油缸3的压力，主顶控制器101将检测到的压力值转换成主顶油缸3的顶力值，从而起到对主顶顶力上限进行保护。液位传感器15安装在主顶液压泵站2的油箱上，用于检测油箱的油位，防止液位过低造成油泵吸空。位移传感器16安装在主顶油缸2的内部，用于检测主顶油缸2的伸出距离，主顶控制器101将检测到的主顶油缸2的伸出量对时间进行求导，得到主顶油缸2的推进速度，便于操作者对顶管救援装备更好的操控。

巷道电机驱动单元108安装于工作巷道，用于控制主顶油泵电机的启动、停止，对电机进行过载、过流、漏电、过压、欠压保护。

主顶液压控制单元109安装在工作巷道内，负责控制主顶油缸2伸、缩动作以及主顶油缸2伸、缩速度调节。

刀盘调速单元110安装在工作巷道内，可根据接收到的主顶控制器101发送的控制信号，控制刀盘电机启动、停止，刀盘电机的转向和刀盘电机的转速。同时，刀盘调速单元110将刀盘电机的工作频率、工作电压、工作电流、工作状态以及报警信息发送到主顶控制器101。

机内控制器102位于机头7内部，主要负责接收环境参数检测单元106、机内状态检测单元111、机头姿态检测单元112和生命体征检测单元114发送的数据，经过运算处理后，发送到can总线121上。同时，机内控制器102给电机驱动单元8和机内液压控制单元116发送控制指令，为照明单元117提供电源。

机内状态检测单元111由压力传感器14、液位传感器15、位移传感器16组成。压力传感器14安装于机内液压泵站8上，用于检测纠偏油缸9的压力，机内控制器102将检测到的压力值转换成纠偏油缸9的顶力值，从而起到对纠偏油缸9的顶力上限进行保护。液位传感器15安装在机内液压泵站8的油箱上，用于检测油箱的油位，防止为过低造成油泵吸空。四个位移传感器16分别安装在机内的四个纠偏油缸9上，用于计算纠偏油缸9的伸出距离，操作者通过观察四个纠偏油缸9的伸出距离进行纠偏控制。

机头姿态检测单元112由安装在机头7内的双轴倾角传感器17组成，实时检测机头7的姿态数据，机内控制器102通过对双轴倾角传感器17的数值进行计算得到机头7的倾斜角度和旋转角度，操作者根据机头7的姿态作为纠偏操作的参考。

视频单元113由矿用隔爆型红外摄像仪和矿用隔爆型显示器组成。红外摄像仪安装于机头7内部，用于采集排渣画面、激光光靶画面、转运画面，画面数据传输介质为光纤。显示器安装于工作巷道监控单元105上，用于显示监控画面。

生命体征检测单元114实时检测人的心率指标，当生命体征检测单元114检测到人体生理参数后，发送信号到机内控制器102。

机内电机驱动单元115安装于机头7内，用于控制机内液压泵站8的电机启动、停止，对电机进行过载、过流、漏电、过压、欠压保护。

机内液压控制单元116安装在机头内，负责控制四根纠偏油缸9的伸、缩动作。

照明单元117由若干个矿用隔爆型led巷道灯组成，负责顶管救援装备机头7和中继环4的内部照明。

中继控制器103位于中继环4内，主要负责接收环境参数检测单元106、中继状态检测单元119发送的数据，经过运算处理后，发送到can总线121上。同时，中继控制器103给电机驱动单元8和中继液压控制单元120发送控制指令，为照明单元117提供电源。

中继电机驱动单元118安装于中继环4内，用于控制中继液压泵站5电机的启动、停止，对电机进行过载、过流、漏电、过压、欠压保护。

中继状态检测单元119由压力传感器14、液位传感器15、位移传感器16组成。压力传感器14安装于中继液压泵站5上内，用于检测中继油缸6的压力，中继控制器103将检测到的压力值转换成中继油缸6的顶力值，从而起到对中继油缸6的顶力上限的保护。液位传感器15安装在中继液压泵站5的油箱上，用于检测油箱的油位，防止为过低造成油泵吸空。位移传感器16安装在中继油缸6上，用于计算中继油缸6的伸出距离。中继控制器103将检测到的中继油缸6伸出量对时间进行求导，得到中继油缸6的推进速度，便于操作者对顶管救援装备更好的操控。

中继液压控制单元120安装于中继环4内，中继液压控制单元120负责控制中继油缸6的伸、缩以及伸缩调速控制。

考虑到煤矿井下灾后救援行动本身具有一定的危险性，为保证救援人员自身安全，一方面顶管救援装备控制系统通过布置在工作巷道1、中继环4和机头7内的环境参数检测单元106感知环境状态，环境参数异常时进行报警，提醒；另一方面通过生命体征检测单元114实时监测参与救援人员的生命体征信息，人员生命体征参数异常时，控制系统立即通知附近人员前往查看。

本实用新型提供了一种煤矿井下用顶管救援装备的控制方法，其特征在于有效地、安全的对顶管救援装备的重要部件进行保护，辅助操作者操作、指标异常时对操作者进行有效提醒。

a、监控单元105的操作面板与无线遥控单元104均可以对顶管救援装备进行控制操作，考虑到设备控制的安全性二者不能同时进行控制操作。当无线遥控单元104未开启，监控单元105的操作面板允许对顶管救援装备进行控制操作；相反，无线遥控单元104开启后，监控单元105的操作面板控制操作功能失效。与普通的顶管掘进机相比较，增加了无线遥控单元104，顶管救援装备运输到井下事故现场后，需要一定的时间对监控单元105进行接线以及其他电气单元的调试工作。由于救援时间非常宝贵，增加了无线遥控单元104后，顶管救援装备运输到现场，可以很快的通过无线遥控单元104对顶管救援装备进行控制操作、调试，在调试的同时可以进行监控单元105以及其他电气单元的接线工作，节约了设备的安装、调试时间。还有，在顶管救援装备在施工过程中，机头7或中继环4内出现故障，操作人员佩戴无线遥控单元104与故障排查人员共同进入机头7或中继环4会大大提高排除故障的效率，消除了以往故障排查人员需要与工作巷道1的操作人员的远距离沟通不便的情况。

b、主顶控制器101、机内控制器102和中继控制器103实时采集环境参数检测单元106的甲烷传感器11和一氧化碳传感器12的数据，经过计算后发现甲烷浓度或一氧化碳浓度超标，巷道电机驱动单元108、刀盘调速单元110、机内电机驱动单元115、中继电机驱动单元118立即切断电机主回路的电源，同时监控单元105的hmi显示甲烷浓度和一氧化碳的浓度值提醒操作者。氧气的浓度实时在监控单元105的hmi上进行显示，如果氧气浓度过低，不允许任何人员进入中继环4或机头7内。

c、主顶控制器101实时采集主顶状态检测单元107的数据，经过计算，当主顶油缸3压力过高时，主顶控制器101对主顶油缸3发出“停止伸出”的指令，防止顶力过大造成设备损坏；当主顶液压泵站2的液压油箱液位过低时，主顶控制器101对主顶油缸3发出“停止伸出”的指令，防止大量液压油从液压油箱进入到主顶油缸3中，从而发生油泵吸空的现象。

d、中继控制器103实时采集中继状态检测单元119的数据，经过计算，当中继油缸6压力过高时，中继控制器103对中继油缸6发出“停止伸出”的指令，防止顶力过大造成设备损坏；当中继液压泵站5的液压油箱液位过低时，中继控制器103对中继油缸6发出“停止伸出”的指令，防止大量液压油从液压油箱进入到中继油缸6中，从而发生油泵吸空的现象。

e、机内控制器102实时采集机内状态检测单元111的数据，经过计算，当纠偏油缸9压力过高时，机内控制器102对纠偏油缸9发出“停止伸出”的指令，防止顶力过大造成设备损坏；当机内液压泵站8的液压油箱液位过低时，机内控制器102对纠偏油缸9发出“停止伸出”的指令，防止大量液压油从液压油箱进入到纠偏油缸9中，从而发生油泵吸空的现象。

f、机内控制器102实时采集机头姿态检测单元112的数据，经过计算，当滚动角过大时，停止刀盘18的“旋转”指令，防止机头内部设备因整体转动角度过大造成损坏；当倾斜角过大时，监控单元105的hmi进行报警，提醒操作者及时进行纠偏操作。

g、机内控制器102实时接收到生命体征检测单元114发出的信息，当检测到人的生命体征后，立即发出“紧急停止”控制指令到can总线121上。主顶控制器101接收到can总线121上的“紧急停止”后，立即发出“停止顶进”的控制指令到主顶油缸3，同时，主顶控制器101立即发出“刀盘停止”的控制指令到刀盘调速单元110使刀盘18停止转动；中继控制器103接收到can总线121上的“紧急停止”后，立即发出“停止顶进”的控制指令到中继油缸6。顶管救援装备停止顶进、刀盘停止转动后，救援人员立即对被困人员进行施救。

在本实施例中，顶管救援装备控制系统由主顶控制器101、机内控制器102、中继控制器103、监控单元105、无线遥控单元104、环境参数检测单元106、主顶状态检测单元107、巷道电机驱动单元108、主顶液压控制单元109、刀盘调速单元110、机内状态检测单元111、机头姿态检测单元112、视频单元113、生命体征检测单元114、机内电机驱动单元115、机内液压控制单元116、照明单元117、中继电机驱动单元118、中继状态检测单元119、中继液压控制单元120组成。其中主顶控制器101、机内控制器102和中继控制器103为顶管救援装备控制系统的核心，其它装置为信号发送或动作执行机构。

主顶控制器101位于工作巷道内，用于接收机内控制器102、中继控制器103、环境参数检测单元106、无线遥控单元104、监控单元105发送的数据，并按控制逻辑控制相应机构动作。

机内控制器102位于顶管救援装备机头附近，用于接收环境参数检测单元106、机头姿态检测单元112发送的数据，并通过can总线121与主顶控制器101进行通讯，通讯介质为光纤。

中继控制器103位于顶管救援装备中继环内，用于接收环境参数检测单元106、中继电机驱动单元118发送的数据，并通过can总线121与主顶控制器101进行通讯，通讯介质为光纤。

系统上电后，操作人员通过监控单元105的操作面板按钮控制顶管救援装备，通过监控单元105的防爆hmi监控设备运行状态。

巷道电机驱动单元108安装于工作巷道，用于控制工作巷道1的搅拌电机、注浆电机和主顶液压泵站2的油泵电机的启动、停止，并对电机进行过载、过流、漏电、过压、欠压保护。

主顶液压控制单元109为液压电磁阀，主顶控制器101根据操作人员的指令驱动电磁阀，控制控制主顶油缸的伸、缩动作以及伸缩速度调节。

刀盘调速单元110为变频调速装置，主顶控制器101根据操作人员指令，通过刀盘调速单元110改变电源频率，进而对刀盘电机进行调速。

机头姿态检测单元112由俯仰角和侧倾角传感器组成，操作人员通过监控单元105防爆hmi实时监测顶管救援装备机头俯仰角度和侧倾角度。

无线遥控单元104由发射器和接收器组成，操作人员可通过发射器下达控制指令，接收器可接收到发射器发送的无线信号，并通过can总线121将数据上传到主顶控制器101、机内控制器102和中继控制器103内。

视频单元113由矿用隔爆型红外摄像仪和矿用隔爆型显示器组成。红外摄像仪安装于顶管救援装备机头内部，用于采集排渣画面、激光光靶画面、转运画面，画面数据传输介质为光纤。操作人员通过安装于工作巷道监控单元105上的显示器浏览监控画面。

在工作巷道1，中继环4和机头7均布置了甲烷传感器11、一氧化碳传感器12和氧气传感器13，主顶控制器101采集上述传感器发送的数据并判断相应位置的环境参数是否异常，异常时进行报警。

设备状态检测单元由刀盘18电机电流传感器、刀盘18电机转速传感器、主顶液压泵站2压力传感器组成。刀盘电机电流和转速传感器安装于刀盘调速单元110内部，分别用于检测刀盘18的电机电流和转速。主顶压力传感器安装于主顶液压泵站2内，用于检测主顶油缸3的压力。异常工况的具体识别流程：分析刀盘电机电流传感器检测的刀盘18的电机电流，异常工况识别模型判断刀盘18是否扭矩突变；分析刀盘18的电机电流传感器和转速传感器发送的数据，异常工况识别模型判断刀盘18是否堵转；分析主顶液压泵站2的压力传感器发送的数据，异常工况识别模型判断刀盘18是否遇障碍物。

以上内容仅为本实用新型的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本技术内容的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本实用新型的构思，均属于本专利的保护范围。