煤礦綜采面液壓支架電液控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁 凱

(西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司 職業(yè)病防治所，山西 太原 030053)

0 引言

液壓支架作為井下采煤工作面的關(guān)鍵支護(hù)設(shè)備，是完成井下煤炭開(kāi)采、運(yùn)輸及支護(hù)過(guò)程綜合機(jī)械化的重要保障[1-4]。液壓支架的主要作用是對(duì)煤礦綜采工作面的頂板及礦山壓力進(jìn)行有效支撐及控制，從而起到綜采面防護(hù)和結(jié)構(gòu)支撐作用，并與綜采面采煤機(jī)及刮板輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)工作，保證整個(gè)采煤過(guò)程安全、高效進(jìn)行[5-7]。液壓支架主要由以液壓缸為主的液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和電液控制系統(tǒng)組成，通過(guò)電液控制系統(tǒng)對(duì)液壓缸進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架的動(dòng)作控制、補(bǔ)壓、閉鎖急停等操作[8]?？梢钥闯觯簤褐Ъ芸刂葡到y(tǒng)的性能及智能化程度很大程度上決定了綜采工作面的自動(dòng)化水平及工作效率。

目前國(guó)外針對(duì)液壓支架自動(dòng)控制系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)的研究相對(duì)成熟，受技術(shù)封鎖及設(shè)備進(jìn)口成本高等因素影響，國(guó)內(nèi)多數(shù)煤礦的開(kāi)采裝運(yùn)仍然依靠人工現(xiàn)場(chǎng)完成，開(kāi)采效率及安全性受到嚴(yán)重影響。具備液壓支架電液控制系統(tǒng)的煤礦多以進(jìn)口設(shè)備為主，并不具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，因此系統(tǒng)造價(jià)和維修成本很高，經(jīng)濟(jì)性較差。針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于PLC控制的液壓支架電液控制系統(tǒng)，系統(tǒng)通過(guò)位移、壓力等傳感器對(duì)液壓支架的移動(dòng)位置、油缸壓力等重要參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及反饋，通過(guò)PLC對(duì)液壓支架的動(dòng)作時(shí)間、速度及工作方式進(jìn)行自動(dòng)控制，有效降低了綜采面的人力投入，提高了綜采面的生產(chǎn)效率及安全性。

1 液壓支架電液控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 液壓支架電液控制系統(tǒng)功能需求分析

在對(duì)該控制系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)前，首先需要對(duì)系統(tǒng)主要功能進(jìn)行分析。液壓支架電液控制系統(tǒng)主要通過(guò)PLC、各類傳感器與上位機(jī)的聯(lián)合工作對(duì)液壓支架實(shí)施有效的自動(dòng)控制及監(jiān)測(cè)，從而代替人工監(jiān)控。具體功能需求分析如下：

(1) 可實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架的遠(yuǎn)程動(dòng)作控制。系統(tǒng)可根據(jù)傳感器的反饋數(shù)據(jù)通過(guò)PLC及控制程序控制液壓支架自動(dòng)完成單架或成組升降柱、平衡梁及側(cè)護(hù)板伸縮、推溜、移架等操作，還可無(wú)擾動(dòng)切換至手動(dòng)模式進(jìn)行人工按鈕操作。

(2) 具備運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)功能?？刂葡到y(tǒng)可對(duì)液壓支架的油缸壓力、位移量及采煤機(jī)的行程及位置等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，用于向控制系統(tǒng)提供控制反饋，從而對(duì)液壓支架進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制。

(3) 具備急停閉鎖及故障報(bào)警功能。當(dāng)液壓支架處于固定狀態(tài)時(shí)，控制系統(tǒng)可對(duì)其實(shí)施閉鎖；當(dāng)液壓支架處于故障狀態(tài)或遇到突發(fā)情況時(shí)，控制系統(tǒng)可對(duì)其進(jìn)行緊急停機(jī)及聲光報(bào)警，并對(duì)事件進(jìn)行記錄。

(4) 具備智能化自動(dòng)控制功能?？刂葡到y(tǒng)可根據(jù)紅外傳感器實(shí)時(shí)反饋的采煤機(jī)位置信息對(duì)液壓支架進(jìn)行自動(dòng)跟機(jī)控制；控制系統(tǒng)可通過(guò)壓力傳感器實(shí)時(shí)反饋液壓支架的油缸壓力，當(dāng)壓力下降時(shí)控制液壓支架進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)壓，無(wú)需進(jìn)行人工補(bǔ)壓操作。

1.2 液壓支架電液控制系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)上述功能需求分析，本文采用模塊化設(shè)計(jì)對(duì)液壓支架電液控制系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)各模塊所實(shí)現(xiàn)的不同功能，該控制系統(tǒng)主要?jiǎng)澐譃镻LC主控模塊、上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)、參數(shù)采集模塊以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊等部分。PLC主控模塊用于控制指令的上傳下達(dá)及工況參數(shù)的收集與上傳，是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。參數(shù)采集模塊主要由油壓、位移及紅外等各類傳感器組成，用于實(shí)時(shí)采集液壓支架油缸油壓、位移及采煤機(jī)位置等關(guān)鍵參數(shù)。上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)主要由搭載電液控制系統(tǒng)軟件的計(jì)算機(jī)、不間斷電源及打印機(jī)等設(shè)備組成，用于參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示、分析處理及控制命令的下達(dá)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊主要為液壓支架動(dòng)作機(jī)構(gòu)，用于執(zhí)行PLC的控制指令，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)支架功能。

圖1 液壓支架電液控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件方案設(shè)計(jì)

液壓支架電液控制系統(tǒng)的硬件方案設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括PLC主控模塊選型設(shè)計(jì)以及參數(shù)采集模塊的選型設(shè)計(jì)。其中，PLC主控模塊的設(shè)計(jì)主要包括對(duì)PLC主控器CPU、電源模塊、通訊接口以及數(shù)字量、模擬量輸入輸出模塊的選型設(shè)計(jì)；參數(shù)采集模塊設(shè)計(jì)主要內(nèi)容為油壓、位移及紅外傳感器的選型設(shè)計(jì)。

PLC主控器是電液控制系統(tǒng)的核心，其運(yùn)行可靠性及性能是保證控制系統(tǒng)控制效果及響應(yīng)速度的關(guān)鍵。由于電液控制系統(tǒng)所需的I/O點(diǎn)數(shù)及存儲(chǔ)容量適中，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性本文選用西門子S7-300 PLC作為系統(tǒng)的主控模塊，處理器選用313C-2DP緊湊型CPU，其內(nèi)部具有32 kB隨機(jī)存儲(chǔ)器及16路數(shù)字輸入及16路數(shù)字輸出，內(nèi)置Profibus DP主/從接口，同時(shí)支持RS485及CAN總線通訊。電源模塊選用PS307 24 V 10 A，可完全滿足主控模塊的供電需求。由于CPU自帶的模擬數(shù)字量接口有限，因此主控模塊需額外配備模擬量及數(shù)字量輸入輸出模塊，其選型分別為SM321(DI)、SM322(DO)、SM331(AI)、SM332(AO)。

數(shù)據(jù)采集模塊主要由油壓傳感器、位移傳感器及紅外傳感器組成，本文選用GPD60(A)型礦用壓力檢測(cè)傳感器對(duì)液壓支架液壓缸油壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)。GPD60(A)的測(cè)壓范圍為0～60 MPa，工作電壓采用12 V DC，基本誤差可穩(wěn)定維持在±1%FS，輸出信號(hào)為4 mA～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)或0 V～5 V電壓信號(hào)，可滿足本系統(tǒng)的油壓監(jiān)測(cè)需求。

位移傳感器是檢測(cè)液壓支架行程及位移量的主要設(shè)備，本文采用MTL3型礦用磁致伸縮位移傳感器對(duì)支架推移行程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。MTL3傳感器的測(cè)量范圍為100 mm～1 200 mm，線性誤差及遲滯可穩(wěn)定維持在0.05%FS及0.001%FS之下，其分辨率高達(dá)0.001%，可輸出4 mA～20 mA DC、0 V～5 V/10 V DC標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，同時(shí)支持RS485通訊方式，可滿足本系統(tǒng)的支架位移測(cè)量需求。

本文通過(guò)紅外傳感器對(duì)采煤機(jī)位置及液壓支架動(dòng)作進(jìn)行精確判斷，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟機(jī)等智能控制功能。紅外傳感器選用GUH5-S(F)型紅外收發(fā)器，其有效照射及接收距離為0～3 m/0～5 m，發(fā)射及接收角度為-20°～+20°/-40°～+40°，采用12 V DC供電方式，支持RS485總線通訊，現(xiàn)場(chǎng)可將紅外發(fā)射器及接收器分別安裝于采煤機(jī)及液壓支架上，實(shí)現(xiàn)二者位置信息交互。

3 軟件方案設(shè)計(jì)

電液控制系統(tǒng)軟件功能主要包括對(duì)單個(gè)或成組支架的升降柱及推溜等動(dòng)作的自動(dòng)控制及自動(dòng)補(bǔ)壓功能。當(dāng)上位機(jī)系統(tǒng)下達(dá)升、降柱指令時(shí)，系統(tǒng)可對(duì)控制模式進(jìn)行選擇，當(dāng)系統(tǒng)判斷采用自動(dòng)控制模式時(shí)，PLC將立即做出響應(yīng)，完成開(kāi)機(jī)報(bào)警后主控器開(kāi)啟升、降柱，電磁閥執(zhí)行相應(yīng)操作，并通過(guò)參數(shù)采集模塊對(duì)液壓支架的油缸壓力及位移量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)壓力及位移參數(shù)達(dá)到升、降柱要求時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)控制升、降柱，電磁閥關(guān)閉，整個(gè)支架動(dòng)作完成。液壓支架的推溜操作控制原理與升降柱控制相同。電液控制系統(tǒng)升降柱及推溜操作控制程序流程如圖2所示。

圖2 電液控制系統(tǒng)升降柱/推溜動(dòng)作控制程序流程圖

為了確保每臺(tái)液壓支架在完成拉架操作后其支撐力達(dá)到系統(tǒng)要求，本文對(duì)液壓支架自動(dòng)補(bǔ)壓程序進(jìn)行了設(shè)計(jì)。系統(tǒng)首先通過(guò)參數(shù)采集模塊對(duì)液壓支架立柱壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)立柱壓力未達(dá)到系統(tǒng)預(yù)設(shè)值時(shí)，上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)將下達(dá)自動(dòng)補(bǔ)壓指令，由主控模塊執(zhí)行支架自動(dòng)補(bǔ)壓供液操作。當(dāng)對(duì)某一支架的補(bǔ)壓操作執(zhí)行超過(guò)3次后支架的支撐力仍未達(dá)到系統(tǒng)預(yù)設(shè)值時(shí)，則判定自動(dòng)補(bǔ)償失敗，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)立即停止補(bǔ)壓并由主控模塊發(fā)出報(bào)警信號(hào)。自動(dòng)補(bǔ)壓控制程序流程如4所示。

圖3 自動(dòng)補(bǔ)壓程序流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在對(duì)煤礦綜采面液壓支架控制系統(tǒng)功能需求分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合傳感器及電液控制技術(shù)對(duì)其電液控制系統(tǒng)進(jìn)行了硬件及軟件方案設(shè)計(jì)。系統(tǒng)通過(guò)油缸壓力及支架、采煤機(jī)行程參數(shù)的反饋對(duì)液壓支架的基本動(dòng)作進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了液壓支架的自動(dòng)跟機(jī)及自動(dòng)補(bǔ)壓功能，通過(guò)該系統(tǒng)有效提高了煤礦綜采面的智能化程度。