ZF/13000/25/38型液壓支架電液控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

王紅明

（山西新景礦有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000）

引言

煤礦開采過程中需要應(yīng)用大量的機(jī)電設(shè)備，液壓支架就是其中非常關(guān)鍵的設(shè)備之一，在確保煤礦開采安全方面發(fā)揮著重要的作用[1]。液壓支架在運(yùn)行時需要通過電液控制系統(tǒng)對其進(jìn)行精準(zhǔn)控制[2-3]。但受技術(shù)水平限制，我國煤礦中使用的液壓支架控制系統(tǒng)很多都從國外進(jìn)口。國外的硬件和軟件都會對通信協(xié)議等進(jìn)行加密，我國煤礦企業(yè)在使用時很難對其進(jìn)行破解、升級、維護(hù)[4-6]。基于此，有必要結(jié)合我國煤礦產(chǎn)業(yè)實(shí)際現(xiàn)狀，設(shè)計研究礦用液壓支架電液控制系統(tǒng)。

1 ZF/13000/25/38型液壓支架結(jié)構(gòu)

ZF/13000/25/38型液壓支架由我國自主研究設(shè)計制造并生產(chǎn)，已經(jīng)在很多煤礦企業(yè)中得到很好的應(yīng)用，實(shí)踐效果相對較好。對于回采工作面煤層傾角小于15°的情況，都可以使用該型號液壓支架進(jìn)行保護(hù)。如圖1所示為ZF/1300/25/38型液壓支架的整體結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看出整個液壓支架結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，由多個結(jié)構(gòu)件構(gòu)成。液壓支架正常工作時需要經(jīng)常移動并調(diào)整姿態(tài)，以適應(yīng)不同的工作環(huán)境。機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動需要通過電液控制系統(tǒng)對其進(jìn)行控制，因此電液控制系統(tǒng)質(zhì)量的好壞對整個液壓支架的性能有決定性的影響。為保障液壓支架運(yùn)動過程的精確性與實(shí)時性，本文以ZF/13000/25/38型液壓支架為例，對抗電液控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計研究。

圖1 ZF/13000/25/38型液壓支架整體結(jié)構(gòu)圖

2 電液控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

隨著煤礦開采技術(shù)的不斷發(fā)展，對煤礦開采效率的要求也在逐漸提升。為了在保障煤礦開采安全的基礎(chǔ)上提升煤礦開采效率，目前我國很多煤礦中應(yīng)用的液壓支架都配備了電液控制系統(tǒng)。電液控制系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的工程，涉及很多方面的技術(shù)，比如液壓技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)等。利用該系統(tǒng)可以對液壓支架的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制。如圖2所示為ZF/13000/25/38型液壓支架電液控制系統(tǒng)的整體方案框圖。從圖中可以看出，整個電液控制系統(tǒng)由很多部分構(gòu)成，其中傳感器的作用主要是對液壓支架的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)街Ъ芸刂破髦小ＶЪ芸刂破魇请娨嚎刂葡到y(tǒng)的核心和關(guān)鍵。

圖2 液壓支架電液控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

電液控制系統(tǒng)整體上又可劃分為兩大部分，分別為液壓部分和電控部分。電控部分即為控制系統(tǒng)，內(nèi)部包含有多個控制單元，不同單元承擔(dān)著各自的控制任務(wù)。單元之間相互配合實(shí)現(xiàn)液壓支架系統(tǒng)的控制，單元之間通過CAN總線技術(shù)進(jìn)行通信，多個控制單元就構(gòu)成了整個液壓支架的控制器。液壓部分主要提供動力來源，受到電控部分的控制，根據(jù)支架控制器下達(dá)的指令執(zhí)行各種動作。傳感器對液壓支架運(yùn)行過程中的各類動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娍叵到y(tǒng)中進(jìn)行分析與處理。電控部分根據(jù)實(shí)時狀態(tài)數(shù)據(jù)對液壓支架的狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)不同的工作環(huán)境，確保采煤過程的安全。電液控制系統(tǒng)的監(jiān)控主機(jī)設(shè)置在煤礦地面，井上和井下部分通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，工作人員在井上就可以對井下液壓支架的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控與控制。如圖3所示為液壓支架電液控制系統(tǒng)基本工作原理圖。

圖3 液壓支架電液控制系統(tǒng)基本工作原理圖

3 電液控制系統(tǒng)控制器的設(shè)計

3.1 支架控制器方案設(shè)計

如圖4所示為電液控制系統(tǒng)控制器部分的設(shè)計方案框圖。與以往控制器存在的不同之處在于，本文設(shè)計的控制器將人機(jī)界面通信接口單獨(dú)拿出，以便更好地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。選用Rabbit3000型單片機(jī)作為控制器，再加上各種外圍電路就構(gòu)成了整個支架控制器。支架控制器不僅需要接受各類傳感器采集得到的液壓支架運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，同時還需要與電磁閥驅(qū)動模塊連接，對液壓部分進(jìn)行控制，從而驅(qū)動壓支架的機(jī)械部分運(yùn)動，以達(dá)到控制的目的。另外，單片機(jī)還需要完成與主控制器、左右相鄰液壓支架以及人機(jī)界面之間的通信。

圖4 支架控制器設(shè)計方案框圖

3.2 控制模式的設(shè)計

在充分結(jié)合煤礦實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計的支架控制器可以通過三種模式對液壓支架進(jìn)行控制，分別為集中控制、遠(yuǎn)程控制和就地控制。集中控制是利用控制系統(tǒng)對采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)等所有采煤設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一控制。而遠(yuǎn)程控制則是在井上的監(jiān)控主機(jī)中對井下工作的液壓支架進(jìn)行監(jiān)測與控制，實(shí)踐中這種控制模式應(yīng)用更為廣泛。就地控制是在采煤現(xiàn)場對液壓支架的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，這種模式在特殊情況下使用，比如對液壓支架進(jìn)行維護(hù)、維修、保養(yǎng)時應(yīng)用較多。電液控制系統(tǒng)在實(shí)踐應(yīng)用時，可以根據(jù)實(shí)際使用需要在不同控制模式之間進(jìn)行切換。如圖5所示為液壓支架電液控制系統(tǒng)的控制模式框圖。

圖5 電液控制系統(tǒng)的控制模式

4 電液控制系統(tǒng)的測試與應(yīng)用分析

完成液壓支架電液控制系統(tǒng)的設(shè)計工作后，搭建了測試平臺，對電液控制系統(tǒng)的各項(xiàng)性能進(jìn)行測試分析。由于煤礦井下設(shè)置很多大功率機(jī)電設(shè)備工作，這些機(jī)電設(shè)備啟動與停止過程都會對礦井供電網(wǎng)絡(luò)電壓造成波動影響。為了檢測電液控制系統(tǒng)對于電網(wǎng)電壓波動的響應(yīng)情況，開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)測試工作。實(shí)驗(yàn)方法為將控制系統(tǒng)接入到2 000 V的脈沖電壓電源中，脈沖頻率為2.5 kHz，脈沖電壓的持續(xù)作用時間為15 ms，整個試驗(yàn)過程持續(xù)1 min。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電液控制系統(tǒng)完全能夠抵抗電壓波動的影響，整個過程沒有出現(xiàn)異常情況。此外，還根據(jù)相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對電液控制系統(tǒng)的硬件、軟件、通信等各個環(huán)節(jié)進(jìn)行了全面測試，發(fā)現(xiàn)均能夠滿足實(shí)際使用需要。

完成電液控制系統(tǒng)測試工作后，將該系統(tǒng)應(yīng)用到液壓支架實(shí)踐中，進(jìn)行連續(xù)一個月的觀察和測試。發(fā)現(xiàn)電液控制系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用取得了較好的效果，整個控制過程相對較為穩(wěn)定，能夠直接在煤礦地面上對井下的液壓支架進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測與控制。系統(tǒng)地實(shí)踐應(yīng)用提升了煤礦企業(yè)機(jī)電設(shè)備的智能化和信息化水平，保障了液壓支架的控制質(zhì)量和效果，確保了煤礦開采過程的安全，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

5 結(jié)論

1）該電液控制系統(tǒng)包括電控部分和液壓部分，電控部分收到各類傳感器采集得到的液壓支架運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息后進(jìn)行分析，然后下達(dá)指令通過液壓部分驅(qū)動液壓支架各機(jī)械結(jié)構(gòu)做出各項(xiàng)動作；

2）該電液控制系統(tǒng)以Rabbit3000型單片機(jī)作為控制器，可通過集中控制、遠(yuǎn)程控制和就地控制三種方式對液壓支架進(jìn)行控制，可根據(jù)需要對不同控制方式進(jìn)行切換；

3）經(jīng)測試，該電液控制系統(tǒng)各項(xiàng)功能都能滿足要求。