液壓支架電液控制系統的設計

任建庭

（陽煤寺家莊有限責任公司機運部修配隊， 山西 昔陽 045300）

引言

據統計表明，我國每年生產和消耗的煤炭量在全球范圍內占據前列。煤炭作為一次能源在我國工業和日常生活的作用不可估量，且在未來很長一段時間內煤炭依然在我國能源結構中占據主導地位。目前，我國煤炭生產的機械化程度已經達到75%左右。因此，提升綜采工作面產煤效率可通過提升工作面綜采設備的自動化水平來實現[1]。液壓支架是綜采工作面的關鍵設備，需根據實際生產需求對其進行升降、推溜以及移架等操作。在傳統生產過程中，常通過作業人員對上述操作進行手動控制，存在控制精度低、控制不到位的問題。液壓支架電液控制系統是解決其控制效率的關鍵。本文將以XX礦的液壓支架為研究對象，對電液控制系統進行設計與調試。

1 液壓支架參數

本文以某礦某工作面1 號煤層所用的液壓支架為研究對象。1 號煤層的煤層高度為0.8～1.3 m，煤層結構穩定且不含煤矸石[2]。1 號煤層工作面所采用的支架類型為兩柱掩護式液壓支架，型號為ZY3800/08/17D。該支架的關鍵參數如表1 所示。

表1 ZY3800/07/16D 關鍵參數表

2 液壓支架電液控制系統原理

為實現液壓支架的自動化、無人值守的生產，要求其電液控制系統能夠根據采煤機的實時位置對其進行推溜、移架等操作。為此，需將傳感器、紅外遙感等技術應用于其中，從而對現場工作面頂板和底板的支護效果達到最佳[3]。

電液控制系統控制思路：通過對現場液壓支架立柱壓力、千斤頂位移等關鍵信息采集并分析處理后，結合下一步生產計劃及采煤機的實時位置等信息將電液控制系統控制器所得的控制信號通過電磁先導閥轉換為液壓信號對液壓支架各執行部件進行控制。圖1 所示為液壓支架電液控制系統總體方案。

圖1 液壓支架電液控制系統總體方案

3 電液控制系統控制器的設計

控制器作為液壓支架電液控制系統的核心，其主要功能是實現對工作面所有液壓支架工作狀態的實時監測、控制以及通信等功能。為確保其能夠適應綜采工作面相對惡劣的工作面，要求其控制具有較高的可靠性[4]。為此，液壓支架控制器除需滿足關鍵技術參數指標外，還要求其具備可靠的環境適應性。

3.1 電液控制器主體結構的設計

根據液壓支架電液控制系統的控制需求，其控制器需包括有數據采集單元、通信單元、人機交互單元以及電磁驅動單元等。電液控制器的結構組成如下頁圖2 所示。

如圖2 所示，數據采集單元基于其中各類傳感器對液壓支架及其采煤機的關鍵參數進行采集；人機交互單元包括對所采集到數據的存儲與顯示、作業人員的操作按鈕等；通信模塊中CAN 總線是各個液壓之間進行數據通信的基礎；I2C 是實現上位機與下位機通信的基礎[5]。

為提升液壓支架電液控制系統的適應性和可靠性，要求能夠根據生產環境及生產任務的不同對相關參數進行修正，最終達到最佳的支護效果和控制效率。圖3 所示為液壓支架電液控制系統對其支護參數修正的邏輯圖。

圖2 電液控制器結構組成圖

圖3 液壓支架電液控制系統參數優化邏輯圖

3.2 電液控制器配套功能的設計

3.2.1 液壓支架高度監測分系統的設計

在實際生產中，為了避免液壓支架頂梁與采煤機滾筒出現干擾現象。將電液控制系統中新增液壓支架高度監測系統。液壓支架高度監測系統的核心為高度傳感器，將高度傳感器分別安裝于液壓支架頂梁和控制器，以確保其能夠實時監測煤層厚度、液壓支架支護高度以及掩護梁與頂梁連接處的高度。

3.2.2 液壓支架姿態監測分系統的設計

為充分掌握液壓支架的姿態，在其電液控制系統中新增姿態監測分系統。該分系統主要根據傾角傳感器對立柱的傾斜角以及頂梁底座的偏轉角等參數進行監測。將所采集的傾斜角、偏轉角等數據信息上傳于電液控制器中分析判斷。若超出規定值，控制器應及時調整支架的立柱壓力及四連桿機構，以確保液壓支架的處于良好的運行姿態。

4 采煤機位置監測系統的設計

精確掌握采煤機的實時位置是實現液壓支架自動控制的基礎。鑒于綜采工作面存在瓦斯且粉塵濃度較高導致視野不好的問題，常通過采煤機位置監測獲取采煤機的實時位置。采煤機位置監測系統的結構如圖4 所示。

如圖4 所示，采煤機位置監測系統主要包括傳感器模塊、處理器模塊以及通信模塊。其中，采煤機上安裝發射模式的位置監測系統，液壓支架上安裝紅外接收模式的位置監測系統。

圖4 采煤機位置監測系統

5 液壓支架電液控制系統通信網絡的設計

液壓支架電液控制系統信息的通信主要有兩類數據：上位機與電液控制器之間的數據通信（A 類數據）、電液控制器內部的數據通信（B 類數據）。其中，A 類數據主要為液壓支架的實時工作狀態；B 類數據為控制支架動作的指令信息。鑒于A 類數據和B類數據類型及時效性的區別，針對A 類數據采用RS485 總線通信，針對B 類數據采用SPI 通信。RS485 總線通信和SPI 通信流程如圖5 所示。

圖5 電液控制系統通信流程

6 結語

為實現液壓支架的自動化生產，傳統液壓支架的手動控制模式不斷發展到如今的電液控制模式。電液控制器作為其電液控制系統的核心，其主要通過壓力、位移、角度、高度等傳感器獲取相應數據實時掌握液壓支架工作狀態，并經其PLC 控制器對數據進行分析處理后，通過RS485 總線通信上傳至上位機，將最終所得的控制信號通過SPI 通信在各個控制器之間傳遞，從而實現了液壓支架的單架、成組控制。此外，液壓支架還可以通過掌握采煤機的實時位置實現對其進行自動化控制的目的。總之，電液控制系統是實現液壓支架無人值守、自動化生產的基礎。