關(guān)于礦用液壓支架電控系統(tǒng)的改進(jìn)研究

申 杰

（晉能集團(tuán)掌石溝煤業(yè)有限公司， 山西 晉城 048400）

引言

液壓支架作為煤礦開采中的重要設(shè)備，其電控系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，直接影響著液壓支架的支撐效率。而由于井下環(huán)境惡劣，加上液壓支架經(jīng)常處于超長(zhǎng)時(shí)間、超負(fù)荷作業(yè)狀態(tài)，導(dǎo)致其在使用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)控制失靈、結(jié)構(gòu)變形等故障現(xiàn)象，對(duì)井下作業(yè)安全造成了重要影響。因此，提高液壓支架電控系統(tǒng)綜合性能，已成為保障液壓支架正常工作的重點(diǎn)[1]。

1 主要液壓支架電控系統(tǒng)的比較分析

目前，在國(guó)際上，對(duì)液壓支架電控系統(tǒng)的研究相對(duì)較多，而應(yīng)用相對(duì)廣泛的有德國(guó)的DBT 電控系統(tǒng)、德國(guó)的MARCO 電控系統(tǒng)等，其技術(shù)均相對(duì)成熟。因此，就該兩種主要的電控系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析。

1.1 DBT 液壓支架電控系統(tǒng)

該電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由控制器、主控臺(tái)、傳感器、電源、電源適配器、PM4 服務(wù)器等部分組成，而所安裝的PM4 服務(wù)器主要負(fù)責(zé)接收并顯示工作面上的相關(guān)檢測(cè)、診斷數(shù)據(jù)，并確定采煤機(jī)的工作位置。同時(shí)，該系統(tǒng)采用了BIDI 總線進(jìn)行通訊連接，可將工作面上的所有液壓支架控制器信息連接起來(lái)，其通訊速率可達(dá)60 kbps。但該電控系統(tǒng)中的控制器未進(jìn)行相對(duì)獨(dú)立設(shè)計(jì)，即當(dāng)某個(gè)液壓支架上的控制器出現(xiàn)故障時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中的控制器無(wú)法正常工作；同時(shí)，工作面的控制動(dòng)作對(duì)主控臺(tái)的依賴性相對(duì)較大，當(dāng)取消主控臺(tái)時(shí)，電控系統(tǒng)只能進(jìn)行單動(dòng)、單架順序動(dòng)作，具有一定的局限性[2]。

1.2 MARCO 液壓支架電控系統(tǒng)

該電控系統(tǒng)的核心為64180 微處理器，具有96 kB 的RAM的存儲(chǔ)器容量，同時(shí)，在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，添加了一套工作面的底層修改程序，增強(qiáng)了系統(tǒng)的適應(yīng)范圍，為后期的系統(tǒng)調(diào)試提供了便利。在系統(tǒng)顯示方面，采用了LED 進(jìn)行點(diǎn)陣布置及顯示；并采用了鍵盤設(shè)計(jì)來(lái)對(duì)一些常用動(dòng)作進(jìn)行操作和控制。為及時(shí)反映系統(tǒng)的故障情況，設(shè)計(jì)了聲光報(bào)警提示。因此，該電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的可借鑒性。

綜上分析，目前，市面上的電控系統(tǒng)有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，在進(jìn)行電控系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，可對(duì)諸多方面進(jìn)行借鑒。例如：在DBT 液壓支架電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，可將電控系統(tǒng)中的所有控制器進(jìn)行獨(dú)立控制設(shè)計(jì)；同時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的通訊可采用CAN總線進(jìn)行通訊，同樣設(shè)置信號(hào)顯示、聲光報(bào)警提示、鍵盤操作等，并對(duì)電控系統(tǒng)的控制精度進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)等[3]。

2 液壓支架電控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1 電控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

根據(jù)井下作業(yè)需要，在單個(gè)工作面上，需配備多個(gè)液壓支架設(shè)備，而電控系統(tǒng)則需對(duì)所有的液壓支架進(jìn)行總體控制。在此基礎(chǔ)上，要求單個(gè)液壓支架之間需進(jìn)行相互控制，這要求在每臺(tái)液壓支架上均需配備獨(dú)立的控制器。因此，在現(xiàn)有液壓支架電控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，對(duì)電控系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)。改進(jìn)后的電控系統(tǒng)采用了多個(gè)12 V 電源，并在每臺(tái)液壓支架上安裝了控制器設(shè)備，而單個(gè)電源可分別對(duì)6 臺(tái)液

壓支架中的控制器提供電源，且其各主要通信之間采用了CAN 總線和以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。同時(shí)，所選用的電源箱能滿足電控系統(tǒng)工作中的防爆、短路、過(guò)載等性能要求。在該系統(tǒng)中，當(dāng)某個(gè)液壓支架中的控制器出現(xiàn)故障，電控系統(tǒng)會(huì)屏蔽該控制器，而讓其他控制器保持正常工作，以防止發(fā)生故障的控制器對(duì)其他設(shè)備的影響，從而提高了電控系統(tǒng)的安全保護(hù)性能，改進(jìn)后液壓支架電控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架圖如下頁(yè)圖1 所示。

圖1 液壓支架電控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架圖

2.2 電控系統(tǒng)控制部分的改進(jìn)設(shè)計(jì)

控制器是液壓支架電控系統(tǒng)中的核心部件，主要由壓力傳感器、位移傳感器、PLC、CAN 總線等組成，而控制器的控制單元?jiǎng)t是PLC，其結(jié)構(gòu)框架圖如圖2 所示。在整個(gè)控制器控制過(guò)程中，通過(guò)傳感器檢測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)信息，將其傳輸至PLC 控制模塊中進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換、分析及處理，由此作出判斷，將判斷結(jié)果向電磁閥發(fā)出執(zhí)行命令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)液壓支架的控制。其中，壓力傳感器主要用于對(duì)支架立柱的下腔壓力進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后輸出至控制器中；而位移傳感器則主要是負(fù)責(zé)對(duì)支架中千斤頂?shù)墓ぷ魑恢棉D(zhuǎn)換為電信號(hào)后傳輸至控制器中。同時(shí)，所設(shè)計(jì)的控制器包含鍵盤操作、信號(hào)顯示、人機(jī)交互界面等部分，并對(duì)液壓支架中的各類故障信息發(fā)出聲光報(bào)警提示，最終采取急停、閉鎖等保護(hù)措施。另外，在控制器與順槽控制主站之間主要采用CAN 總線進(jìn)行通訊。由此，完成電控系統(tǒng)控制部分的設(shè)計(jì)[4]。

圖2 電控系統(tǒng)控制部分結(jié)構(gòu)框架圖

2.3 壓力傳感器匹配的改進(jìn)設(shè)計(jì)

液壓支架工作過(guò)程中，其立柱下腔中壓力會(huì)隨設(shè)備的不同使用狀態(tài)而發(fā)生變化，因此，需采用壓力傳感器對(duì)其壓力變化情況進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)，而檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信號(hào)則會(huì)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并傳輸至液壓支架中的控制器中，并最終匯集到電控系統(tǒng)中。因此，在該電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選用了GYD60 型壓力傳感器對(duì)液壓支架立柱缸的壓力進(jìn)行檢測(cè)，該傳感器具有檢測(cè)精度高、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，在煤礦相關(guān)設(shè)備應(yīng)用較為廣泛，該傳感器的外形圖如圖3 所示，其主要性能參數(shù)如表1 所示。

圖3 GYD60 型壓力傳感器外形圖

表1 GYD60 型壓力傳感器主要性能參數(shù)

2.4 電控系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控軟件的總體改進(jìn)設(shè)計(jì)

上機(jī)位監(jiān)控軟件主要負(fù)責(zé)對(duì)液壓支架中傳感器的檢測(cè)參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)等監(jiān)測(cè)顯示，并及時(shí)對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改，生成相應(yīng)報(bào)表，是電控系統(tǒng)的重要組成部分。因此，設(shè)計(jì)了上機(jī)位軟件的結(jié)構(gòu)框架圖，如圖4 所示。該軟件中包含了綜采工作面、參數(shù)設(shè)置、單個(gè)支架信息和數(shù)據(jù)報(bào)表四部分，而各個(gè)部分則分別負(fù)責(zé)其他相關(guān)控制任務(wù)。通過(guò)該監(jiān)控軟件，可將各類傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)換后的相關(guān)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并對(duì)液壓支架的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)液壓支架出現(xiàn)故障問(wèn)題時(shí)，該監(jiān)控系統(tǒng)則首先發(fā)出對(duì)應(yīng)故障的聲光報(bào)警提示，并及時(shí)彈出報(bào)警界面，將故障發(fā)生位置實(shí)時(shí)顯示出來(lái)；同時(shí)，根據(jù)需要，將液壓支架的歷史數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行保存。大大提高了電控系統(tǒng)的智能化和遠(yuǎn)程監(jiān)控能力，有效保障了液壓支架的正常工作[5]。

圖4 電控系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)框架圖

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試效果

為進(jìn)一步掌握所改進(jìn)后的電控系統(tǒng)的控制精度及系統(tǒng)可靠性，將其進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究，其現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試如下頁(yè)圖5 所示。測(cè)試結(jié)果表明，改進(jìn)后的液壓支架電控系統(tǒng)能對(duì)液壓支架的成組動(dòng)作、拉架、推溜及噴霧等動(dòng)作發(fā)出準(zhǔn)確指令，并控制液壓支架執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作操作；同時(shí)，該電控系統(tǒng)可將液壓支架的工作情況、運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并及時(shí)保存相關(guān)歷史數(shù)據(jù)。同時(shí)，模擬了液壓支架立柱缸壓力較小的故障現(xiàn)象，此時(shí)，電控系統(tǒng)及時(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)此故障現(xiàn)象進(jìn)行了聲光報(bào)警提示，并快速?gòu)棾鰣?bào)警界面，將液壓支架的故障類型及故障發(fā)生位置準(zhǔn)確顯示出來(lái)，且成功繪制成了相關(guān)曲線。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試人員分析，該電控系統(tǒng)已基本滿足了液壓支架井下作業(yè)中的控制需求，能更好、更有效地對(duì)液壓支架進(jìn)行準(zhǔn)確控制，具有較高的可行性。

圖5 礦用液壓支架電控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖

4 結(jié)語(yǔ)

優(yōu)化改進(jìn)后的液壓支架電控系統(tǒng)在一定程度上具有較高的控制精度和可靠性，整體控制功能相對(duì)更完善，能更好對(duì)液壓支架的正常工作提供保障。該研究對(duì)提高電控系統(tǒng)的綜合性能和液壓支架自動(dòng)化控制水平具有重要作用，在一定程度上具有較高的實(shí)際意義和推廣價(jià)值。