液壓支架電液控制系統的設計與調試

李亞飛

（山西晉煤集團技術研究院有限責任公司，山西 晉城048006）

引言

電液控制系統在煤炭開采工作面液壓支架中的應用，是實現煤炭智能開采的關鍵技術之一，是實現簡化流程作業、減輕勞動強度、提高工作效率、提高安全生產的重要方法。煤炭開采工作面液壓支架的電液控制系統通過主控元件、傳感系統與執行元件之間的數據通訊，完成采煤機位置檢測、支護壓力檢測、自動跟機以及液壓支架的成組自動控制、鄰架自動控制、本架單動作控制、鄰架單動作控制等功能，同時通過儲存器和顯示器完成數據儲存、回放以及遠程監控。但目前液壓支架的電液控制系統存在可靠性差、同步性差、通訊協議不統一、維修升級困難等問題。本文結合實際工作情況設計一套液壓支架的智能控制系統，具體如下。

1 液壓支架電液控制總體方案

1）確定整個系統的控制策略，選定傳感器、控制器、電源、電磁閥、耦合器等硬件設備，同時給出技術指標。

2）設計硬件連接電路，包括主控制電路、A/D轉換電路、信號傳輸電路、驅動電路、保護電路等。

3）設計控制軟件，包括初始化、主程序、子程序、傳感器采樣程序、開關量控制、模擬量輸出等。

2 硬件的選擇及其功能

2.1 控制器的選擇及其優點

該設計采用C8051F0020芯片作為主要控制元件，是一款高性能處理器，它具有高速處理指令的能力、豐富的中斷端口、靈活的可編程計數列陣、多類型串行總線端口以及全速在線調試功能，可以完成復雜工況的智能控制工作。

在煤礦綜采工作面施工過程中需要多個液壓支架和液壓支架組進行有序的動作才能保證開采的高效和安全。首先將支架連接到耦合器，然后通過連接器與交換機相連，再由交換機接入到井下和地面的中央控制主機，從而形成完整的智能控制通訊網絡。井下中央控制主機是整個電液控制系統的中樞，通過通訊網絡可以接收傳感系統采集的信號和參數，然后進行分析處理產生控制信號傳輸給支架控制器，支架控制器直接對液壓支架的電磁先導閥進行控制，在傳感系統和控制中心的不斷反饋和控制下，支架控制器不斷改變各個液壓支架上的電磁先導閥的工作狀態，從而使液壓支架有序完成各種動作[1]。同時液壓支架上的傳感系統將液壓支架的運行參數和受力狀態通過信號通訊系統反饋給井下和井上中央控制主機，這些參數的獲得不僅可以實時監測液壓支架的工作狀態，防止事故的發生，也可以讓液壓支架和刮板運輸機、采煤機之間的動作更加協調。

2.2 信號采集系統電路設計

2.2.1 開關量信號

該系統的開關量信號主要有接近開關、保護、急停、閉鎖4個種類，其中接近開關和保護是系統運行中根據實際情況自動觸發，以保證系統的正常運行，而急停和閉鎖開關量的控制由支架控制面板上安裝的急停按鈕進行控制。該按鈕有按下和跳起兩個工作狀態，按下狀態是系統正常工作，此時該開關量輸出為低電平，當系統出現支架輸出壓力不足、卡頓、承壓過高等故障或緊急事件時，緊急按鈕將自動跳起，輸出高電平，同時相應的故障指示燈開始閃爍，方便維修人員盡快處理[2]。

2.2.2 模擬量信號

液壓支架電液控制系統的模擬量信號主要包括紅外線、壓力、超聲波和位移等，利用系統安裝的各種傳感器，對推鎦過程中產生的位移、采煤機和液壓支架之間的距離、液壓立柱收到的壓力以及采煤機所在位置進行數據采集。電液控制系統模擬量采集框圖如圖1所示。

圖1 模擬量信號輸入框圖

3 支架控制器的軟件設計

軟件是控制系統最為重要的組成部分，只有軟件的控制精確無誤才能保證系統的高效和安全。該系統主要通過四種工作模式進行軟件編寫，分別為空閑等待模式、閉鎖模式、從控模式和主控模式[3]。

3.1 空閑等待模式

該模式是操作者對系統發出操作命令之前，在沒有任何操作和參數輸入的情況下，系統自動檢索和初始化，液晶顯示屏處于默認界面，操作者觀察系統的參數值，保證系統運轉正常后即可進行按鍵操作和參數設置。

3.2 閉鎖模式

該模式是在出現系統故障或緊急情況下自動觸發或通過按下閉鎖按鈕人工觸發，通過上位機或各控制器之間的命令傳輸都可以進入閉鎖模式。該模式一旦觸發，控制器不再接受任何操作命令和系統命令，也不會控制液壓支架執行任何動作，直至故障維修結束，系統恢復正常，重新恢復閉鎖按鈕狀態。

3.3 從控模式

該模式的觸發需要將控制界面的主從控制按鈕進行選擇更換，該模式下本架控制器根據其他控制器通過通訊系統發來的控制信號進行液壓支架的某個動作，或控制本架完成某個特定的功能。該模式觸發后只有閉鎖按鈕能夠繼續發揮作用，其他操作和控制不會被系統接受。

3.4 主控模式

在無特殊情況發生時，液壓支架正常的工作狀態在主控模式下進行，在操作界面選擇主控模式，液壓支架的動作將按照設置好的參數進行工作，此時，除閉鎖和急停外不再受其他程序和信號干擾。主控模式的控制程序復雜而精確，必須對外線傳感器、壓力傳感器、超聲波傳感器和位移傳感器發送的信號進行實時采集和分析，精確控制升架、推鎦、降架、移架動作，同時協調運輸機、采煤機等共同完成采煤作業。

4 系統調試

系統開發完成后需要進行單個液壓支架的控制調試、通訊系統調試和整體調試，通過調試確定程序的合理性、系統的穩定性和可靠性以及控制精準性。

4.1 支架控制器與主機通訊測試

由主機操作界面發出控制命令，通過通訊電纜傳送給支架控制器，這些命令是否被傳送接收，通過二極管實驗臺的亮暗表現出來，同時主機會接收到液壓支架的狀態信號，并顯示在操作界面上。經過反復操作，在所有條件和狀態下驗證通訊系統可靠、穩定，滿足使用要求。

4.2 單個支架的調試

該過程分別對多個支架進行長時間單體檢測，需觀察單動作、組動作的完成準確性以及傳感系統和控制系統的靈敏性；測試閉鎖模式下是否能夠停止運行，其他按鈕和程序信號是否能夠繼續控制支架動作[4]。

模擬測試液壓支架和采煤機之間的距離控制，用一個小車代替采煤機，放置在距離液壓支架約3 m位置，小車以與采煤機相同的速度向前移動，在此條件下觀察電液控制系統對液壓支架的移動控制是否滿足使用條件。

4.3 整體測試

最后的整體測試需要1臺井下控制主機、10個支架控制器，以手動優先級高于自動優先級的順序為準，即在手動操作過程中，不接受自動控制命令。整體測試是綜合性的測試過程，在測試過程中通過不斷發現問題并進行改進，直到整個程序能夠滿足所有液壓支架現場應用條件，方可把系統安裝到現場應用。

5 結語

隨著采煤技術的高速發展以及電液控制技術的突飛猛進，煤礦井下作業的無人化、高效化、科技化日漸成效。而煤礦井下環境的復雜多變給煤礦開采的安全和效率造成了很大困擾，這也是開發自動控制系統的主要原因，電液控制技術在液壓支架的應用越來越成熟，在控制主機、傳感系統、通訊系統、動力系統的配合下，液壓支架按照設定的規律進行動作，代替了大量的人工操作，同時通過對液壓支架的受力進行檢測和監控，使礦壓變化一目了然，這給安全生產也提供了有利的保障。