煤礦液壓支架的監控系統設計

楊曉剛

（山西省大同煤礦集團有限責任公司晉華宮礦，山西大同 037016）

0 引言

隨著綜采煤技術的持續進步，對采煤裝備自動化程度的要求也快速提升。液壓支架作為綜采工作面上“三機”之一，起著承擔支撐工作面的重要作用，所以液壓支架的安全有效運行，關乎采煤工作的根本安全，是保障采煤機械穩定進行和工人生命安全的重要屏障[1-2]。然而，液壓支架所在礦工作面環境復雜潮濕、灰塵大、干擾強，就目前生產情況而言，液壓支架故障情況時有發生，因此針對液壓支架的在線實時監控就變得尤為重要。利用工業生產中廣泛使用的自動化遠程監控技術，實時在線對液壓支架的工作情況進行狀態監測與控制，發生故障時根據報警信息可快速排除，減少檢修人員工作量，提高工作效率，保障生產安全。

1 監控系統設計

煤礦液壓支架的監控系統分為現場控制層、遠程監控層、主控中心監測層，包括對液壓支架的監測與控制兩部分。液壓支架控制系統控制液壓支架進行工作面頂板的支撐、切頂操作、支架移動、推移刮板輸送機等操作。在煤礦生產中，使用電液壓支架控制作為液壓支架的控制系統。現場控制層電液控制器由微處理器、數據傳輸與接收裝置、操作盤、傳感裝置組成。每個液壓支架都擁有一個電液控制器。采煤作業面內，根據作業面長度不同，一般布置100～150個液壓支架，在采煤機后面一定距離的液壓支架，在支架控制器控制下進行立柱升降、千斤頂伸縮的動作，完成降架、移架、升架、推溜、數據采集等一系列跟機支撐移動操作[3-6]。煤礦工作面液壓支架布置圖如圖1所示。液壓支架的監控系統除實現控制外，還可以實現監測報警效果。監控系統的組成包括角度、位移、紅外、壓力傳感設備、支架控制器、數據調理電路、PLC、通訊連接網絡以及軟件程序。液壓支架的構成部件數量以及種類較多，因此構建監測系統時選擇液壓支架相對關鍵且容易發生損壞的構件比如千斤頂、液壓油缸等[7]。傳感設備采集布置位置的信號值，由數據補償、數據調理部分處理后通過PLC控制器送至系統軟件程序，由程序計算監測部位的狀態是否正常，判斷是否給出報警指令，完成對監控數據的顯示。

圖1 工作面液壓支架布置圖

1.1 系統硬件選型

監控系統的硬件包括PLC、行程傳感器、壓力傳感器、紅外傳感器、電源模塊、顯示屏、主控計算機等。PLC作為監控層核心，選用西門子公司較為成熟通用的S7-300型號，CPU選擇CPU315-DP，另外根據煤礦生產安全需要選用本質安全的12 V電源版。壓力傳感器則選擇使用長沙鈦合公司針對礦用液壓支架研制的PPM-S240A壓力傳感器，性能穩定，測量范圍廣。位移傳感器選擇GUD-960礦用本安型行程傳感器，可以在具有危險爆炸環境中工作。位移傳感器安裝在液壓支架推移液壓油缸內，傳感器具有直長細管結構，管體深入到活塞桿中心，管頭固定，當推移千斤頂活塞桿移動時，傳感器則輸出0.5～45 V模擬電壓信號。紅外傳感器選用杭榮公司制造的GUH5型號紅外線傳感器，由GUH5-F礦用紅外線發射器、GUH5-S礦用紅外線接收器兩種傳感器組成。電源模塊選擇FPA-12本安防爆電源，體積小重量輕，適用于煤礦生產。系統的整體結構如圖2所示。

圖2 系統的整體結構

1.2 控制部分

控制部分按實現功能不同可分為單臺支架控制、多個液壓支架集中控制功能。單個支架控制用于完成對工作面上單臺液壓支架行動的控制。液壓支架受操作人員控制，可根據監控系統指定按鈕指令分別完成立柱上升與下降、伸縮平衡千斤頂、伸張收縮一、二級護幫板、伸縮側護板、伸縮梁、支架前后移動、抬高收縮底座自動噴霧等10多個單一動作，也可實現多個動作聯動，動作與否與動作時間由操控人員控制[8]。單個支架的移動工作過程即降架、移架、升架，支架首先降低支架高度至頂梁脫離頂板，立柱達到一個設定的移動支架壓力值，開始向前移動支架、根據指令達到移動設定值后，開始升架到立柱達到設定升架應力值。成組控制則是針對工作面上多個液壓支架的協同控制，主要是針對多個液壓支架有秩序的降低、移動、升高一系列聯動操作。護幫板、底座、側護板、平衡千斤頂可實現協同動作。成組控制時，選定一定數量的支架為一組，設定動作參數，設定為一組的液壓支架，在收到命令后端頭的液壓支架首先開始動作，之后選定的一組支架開始逐個跟隨執行相同動作，直到該組液壓支架全部執行完畢，命令結束。

1.3 監測模塊

監測部分主要通過布置傳感器感知支架推移行程、油缸壓力、變化角度、與采煤機的相對距離、電流信號等信息，由傳感器采集，經過信號調理轉換后由通信網絡傳輸到監控中心。其中行程傳感器選擇礦用本質安全型位移傳感器，布置在液壓支架的推移油缸之內，可以將液壓支架機械的行程量轉化為電壓信號，壓力監測則通過將壓阻式壓力傳感器布置在液壓缸測壓孔，將傳感器的一端插入測壓孔并固定，油缸內液體進入傳感器基片，受壓電阻發生變化，電橋輸出電壓由此改變。紅外傳感器用來識別液壓支架與采煤機的相對距離，紅外線發射器布置在采煤機上，接收器布置于液壓支架上，通過紅外線傳感器信號判斷兩者之間相對位置。當壓力值超出設定閾值時或液壓支架與采煤機距離出現異常時，系統自動發出警告。同時根據每臺液壓支架反饋的不同行程值，判斷液壓支架成組控制完成效果。此外，系統對電路設置過流保護，電路電流超出閾值時自動報警。

2 網絡通信

監控系統由3個層面組成，分別是現場液壓支架控制（微處理器）層、遠程工作面（PLC）監控站以及主控中心監測層。工作面監控站與主控中心監測層通過光纖實現以太網連接，完成兩個層的信息交互。工作面監控站與現場液壓支架控制層通過Profibus-DP通訊協議連接，利用屏蔽雙絞線總線通訊實現監測功能與控制功能。

3 軟件設計

PLC控制器的常用編程語言包括LAD、結構文本與功能圖塊等。LAD利用邏輯關系圖進行編程，是一種簡潔、高效且使用廣泛的PLC編程語言。結合煤礦井下的復雜工作面、煤礦安全要求、編程語言要求，本文使用STEP7軟件采用簡單的梯形圖針對PLC S7-300進行編程。并利用STEP軟件進行了相應功能程序測試，對降柱、移架、升柱、伸收梁等一系列操作進行了測試指令輸入，系統均可到達預期效果。液壓支架“降移升”功能實現的軟件程序流程圖如圖3所示。

圖3 軟件降移升流程圖

4 結束語

本文針對煤礦安全生產需要，設計了一種煤礦液壓支架監控系統。并對系統整體方案以及硬件結構完成了選型與構建，設計了監控系統的軟件程序流程圖。系統既可實現對煤礦生產中液壓支架的基本控制，又能對液壓支架現場工作情況進行監督測量，并設有預警功能，可實現對工作狀態的判斷與異常報警。系統具有功能完善、結構簡單、應用性好的優勢。系統可提升液壓支架的工作可靠性，加強煤礦生產企業生產的穩定高效，保護作業人員安全。