礦用液壓支架電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

楊建忠

（大同煤礦集團(tuán)機(jī)電裝備力泰有限責(zé)任公司， 山西 大同 037036）

引言

液壓支架作為煤礦綜合性機(jī)械中最重要的采煤設(shè)備，其頂板和底板可以對(duì)工作空間的井下綜采工作面環(huán)境有效適應(yīng)，不僅為電源、采煤機(jī)、輸送機(jī)等設(shè)備提供可靠的支撐結(jié)構(gòu)，同時(shí)也給工作人員提供安全適合的操作空間。液壓支持系統(tǒng)可以由電液壓支架操作并對(duì)被控制面自動(dòng)控制，單個(gè)操作液壓設(shè)備可以完成整個(gè)工作面的聯(lián)動(dòng)響應(yīng)，在一系列的動(dòng)作等功能實(shí)現(xiàn)后，通信和遠(yuǎn)程控制表面可有效實(shí)現(xiàn)[1-2]。不僅在生產(chǎn)力以及提高操作安全性的改進(jìn)方面有所增強(qiáng)，而且還降低了工作人員的數(shù)量并改善工作保障環(huán)境。因此，研究液壓支架電控系統(tǒng)，以提升綜采工作面自動(dòng)化管理水平[3]。

1 液壓支架系統(tǒng)原理

液壓支架主要通過(guò)高壓液壓油驅(qū)動(dòng)支架構(gòu)件而產(chǎn)生各種動(dòng)作，液壓支架具有低震動(dòng)、低噪聲、支撐強(qiáng)度高等特點(diǎn)，被廣大采礦企業(yè)在采煤過(guò)程中所使用。液壓支架的日常操作與各個(gè)結(jié)構(gòu)類型沒(méi)有多大關(guān)系，但是與液壓支架的液壓系統(tǒng)的液壓油循環(huán)回路有較大關(guān)系。液壓支架的各個(gè)動(dòng)作不復(fù)雜，并且在整個(gè)工作面支撐過(guò)程中也是進(jìn)行了相同的工序，重復(fù)性較高[4]。液壓支架的每個(gè)構(gòu)件的工作狀態(tài)都不一定完全相同，工作面設(shè)置有許多液壓支架，但各個(gè)液壓支架的每個(gè)動(dòng)作都是獨(dú)立進(jìn)行。根據(jù)系統(tǒng)指令也有可能同時(shí)產(chǎn)生動(dòng)作，如果布置液壓支架較多，整個(gè)工作面就會(huì)呈現(xiàn)復(fù)雜的工作狀態(tài)。液壓支架被高壓液壓油所驅(qū)動(dòng)后會(huì)產(chǎn)生降落、移架、支撐、推移輸送機(jī)以及防護(hù)等動(dòng)作，在煤礦惡劣的環(huán)境中，液壓支架能夠滿足安全要求，不會(huì)產(chǎn)生電火花、劇烈震動(dòng)、高噪聲，并且可以實(shí)現(xiàn)井下狹小工作面的機(jī)械化工作狀態(tài)，如圖1所示為液壓支架的工作原理。

2 液壓支架電控系統(tǒng)功能

液壓支架電控系統(tǒng)主要為克服目前人工操作控制所產(chǎn)生的缺陷，針對(duì)煤礦井下惡劣的作業(yè)環(huán)境及地層復(fù)雜性，液壓支架需針對(duì)各個(gè)工況實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)機(jī)械操作以滿足采礦工作面支撐需要，能夠確保采煤機(jī)械及時(shí)地向前推進(jìn)，順利地開(kāi)采并運(yùn)送出煤炭物料。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研分析，液壓支架應(yīng)滿足以下幾個(gè)機(jī)械動(dòng)作，分別為：?jiǎn)渭軉蝿?dòng)作、單架順序動(dòng)作、成組動(dòng)作和自動(dòng)控制動(dòng)作[5]。

圖1 液壓支架工作原理

1）單架單動(dòng)作。單價(jià)單動(dòng)作主要是指工作面上的某一個(gè)液壓支架的動(dòng)作，一個(gè)液壓支架可對(duì)工作面局部的部位產(chǎn)生作用，通過(guò)后臺(tái)電控系統(tǒng)控制操作法對(duì)單個(gè)液壓支架發(fā)出指令，單架單動(dòng)作主要包括深度降住臺(tái)收底座等動(dòng)作。

2）單架順序動(dòng)作。單價(jià)順序動(dòng)作主要是指整個(gè)連排液壓支架按照預(yù)定的程序，在一定時(shí)間范圍內(nèi)完成降柱—移架—升柱系列連貫的動(dòng)作，并按照一定的順序開(kāi)展下去。

3）成組動(dòng)作。根據(jù)采煤工作面的使用需求不同，會(huì)在相應(yīng)的工作面位置安裝液壓支架，如果僅通過(guò)單個(gè)液壓支架完成動(dòng)作，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的效率將會(huì)降低，通過(guò)多組液壓支架的相互聯(lián)合作業(yè)及配合，將大大提高工作面的采煤效率。液壓支架的成組動(dòng)作主要包括成組順序聯(lián)動(dòng)、成組推溜、成組輔助采煤機(jī)噴霧等動(dòng)作。

4）自動(dòng)控制。為實(shí)現(xiàn)液壓支架與采煤機(jī)之間動(dòng)作的相互配合，在采煤機(jī)上安裝一套紅外發(fā)射裝置，通過(guò)該裝置將采煤機(jī)的作業(yè)信號(hào)傳輸至液壓支架中，以此來(lái)完成對(duì)采煤機(jī)作業(yè)位置及作業(yè)狀態(tài)的實(shí)時(shí)定位監(jiān)控，最終實(shí)現(xiàn)液壓支架自身結(jié)構(gòu)的推溜、拉架、護(hù)幫伸收等自動(dòng)化操作控制。

3 液壓支架電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組建

3.1 整體結(jié)構(gòu)

液壓支架電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足上述功能要求，才能有效發(fā)揮性能作用。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地查勘，工作面的實(shí)際長(zhǎng)度將最終決定液壓支架的整體布局。一般情況下將設(shè)置100臺(tái)液壓支架結(jié)構(gòu)，而每個(gè)液壓支架上設(shè)置了至少8個(gè)控制信號(hào)輸入端口，以此完成對(duì)液壓支架的壓力、位移等數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，并且進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制才能實(shí)現(xiàn)一系列的動(dòng)作。通過(guò)對(duì)國(guó)際上常采用的控制器PM4、PM31、RS20等型號(hào)進(jìn)行查閱[6]，采用CAN總線控制技術(shù)，用PLC工業(yè)控制器的中央核心處理器發(fā)送指令，在煤礦企業(yè)后臺(tái)設(shè)置控制室，通過(guò)以太網(wǎng)對(duì)工作面液壓支架發(fā)出工作指令，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

CAN總線通訊技術(shù)抗干擾能力強(qiáng)，能夠使工作面上液壓支架的通訊傳輸減少干擾，并且每個(gè)通訊線路都是分別設(shè)置，如果出現(xiàn)故障將不影響CAN總線上其他支架控制器的通訊傳輸，并且采用本質(zhì)安全型電源箱，對(duì)于短路過(guò)載的保護(hù)性能更好。各個(gè)電氣設(shè)備均選用防爆型設(shè)備確保開(kāi)采過(guò)程中的安全性。

3.2 控制器結(jié)構(gòu)

PLC工業(yè)控制器將作為本次液壓支架電控裝置的中心核心部件，將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)過(guò)濾、邏輯判斷對(duì)電磁閥發(fā)出指令，最終執(zhí)行命令形成對(duì)液壓支架的控制，控制器結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖2 液壓支架電控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 液壓支架控制器結(jié)構(gòu)示意圖

由于煤礦工作環(huán)境的特殊性，可以針對(duì)一些緊急情況實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警，突出整個(gè)控制器的聯(lián)動(dòng)功能并保障CAN總線通訊順暢，因?yàn)橐簤褐Ъ茈娨嚎刂破髦g和液壓支架電液控制器與順槽控制主站之間的通訊是通過(guò)CAN總線建立起來(lái)的。

3.3 硬件裝置

完成液壓支架電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)搭建，對(duì)每一個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)成的硬件裝置進(jìn)行選型，使其能夠滿足工作性能的需要，選型結(jié)果如表1所示。

表1 電控裝置硬件選型表

由于整個(gè)電控系統(tǒng)是通過(guò)CAN總線技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采煤工作面液壓支架電控系統(tǒng)對(duì)CAN總線的要求有以下幾點(diǎn)：

1）CAN總線節(jié)點(diǎn)不得少于200個(gè)；

2）數(shù)據(jù)通信應(yīng)該包括點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和總線廣播的數(shù)據(jù)傳輸方式；

3）具有本質(zhì)安全型防爆功能；

4）CAN總線兩端節(jié)點(diǎn)的通信延時(shí)不超過(guò)2 s。

4 電控系統(tǒng)的試驗(yàn)

根據(jù)上述硬件選型及參數(shù)設(shè)計(jì)，對(duì)電控系統(tǒng)進(jìn)行安裝調(diào)試并應(yīng)用于前期調(diào)試試驗(yàn)。首先在實(shí)驗(yàn)室里對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，并使用了5個(gè)控制器進(jìn)行調(diào)試，編寫(xiě)軟件實(shí)現(xiàn)CAN總線的數(shù)據(jù)信息通訊暢通，保障試驗(yàn)時(shí)候室內(nèi)溫度20℃左右，將液壓支架與現(xiàn)場(chǎng)的控制器進(jìn)行正確連接，并在控制器上對(duì)液壓支架進(jìn)行操作，對(duì)推溜、拉架、護(hù)幫伸收實(shí)際工況動(dòng)作進(jìn)行測(cè)試。在可視化顯示器前對(duì)各個(gè)參數(shù)及實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可視化顯示器內(nèi)容如下頁(yè)圖4所示。

圖4 測(cè)試頁(yè)面示意圖

測(cè)試結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)出的液壓支架電控系統(tǒng)通訊正常，能夠及時(shí)執(zhí)行指令者傳達(dá)的各種液壓支架動(dòng)作，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，提高開(kāi)采工作面的支撐效率。

5 結(jié)語(yǔ)

煤礦井下開(kāi)采面環(huán)境惡劣，地質(zhì)條件復(fù)雜，采用液壓支架能有效保障開(kāi)采過(guò)程中的支撐強(qiáng)度，確保作業(yè)人員及機(jī)械設(shè)備的安全性。目前液壓支架的電控系統(tǒng)還有待進(jìn)一步完善之處，硬件選型缺乏科學(xué)性和實(shí)用性。通過(guò)設(shè)計(jì)液壓支架的硬件裝置，組成各個(gè)硬件的最優(yōu)組合，應(yīng)用于液壓支架的電控系統(tǒng)。通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)出的電控裝置及其硬件選型均能滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用要求，提高了井下作業(yè)的快速反應(yīng)、快速移動(dòng)的工作效率，為礦井井下機(jī)械自動(dòng)化設(shè)計(jì)研發(fā)提供了依據(jù)。