礦用液壓支架電液控制系統的開發設計與研究

趙青山

（霍州煤電集團有限責任公司辛置煤礦，山西 霍州 031400）

煤礦井下綜采工作面將采煤機、輸送機、液壓支架完全融合，實現了真正意義上的自動化開采運輸。這種方式從根本上改變了傳統煤炭開采的方式，一體式全流程開采實現了從煤炭開采到運輸的各個環節的機械化、自動化作業，最大程度節約了煤礦的人力成本，保證了煤礦工人的生命安全。近年來隨著智能化、數字化技術的發展與普及，機械化的綜采工作面也走上了智能化的道路。常見綜采工作面設備布局如圖1 所示。

1 液壓支架概述與現狀分析

液壓支架作為井下開采中“三機配套”的重要一環，為采煤機、輸送機以及一線采煤工作者提供支護與保護，與采煤機、輸送機相互配合來完成采煤的一系列動作。在采煤時，一線工作人員可以將身體完全掩蔽在支架頂板之下，液壓支架有效地保護了工人的生命安全。在辛置煤礦常見的液壓支架為雙立柱支撐掩護式液壓支架，雙立柱的結構保證了支架可以承載更大來自巷道四周的壓力，安全空間也會相對更多。雙立柱支撐掩護式液壓支架結構如圖2 所示。

圖1 綜采工作面設備布局圖

圖2 雙立柱支撐掩護式液壓支架結構圖

由于辛置煤礦地質情況較為復雜，導致工作面中液壓支架在工作過程中經常處于過載狀態，長時間的超負荷運行導致該礦液壓支架重要部件磨損較為嚴重，支架動作精準度差，甚至會出現不受控制的現象。同時，由于保養不到位，導致支架出現故障率很高的問題，嚴重威脅井下安全生產。液壓支架的電液系統作為支架的核心部分，欲解決支架現存的問題，需從支架的電液控制系統入手，提高系統的綜合性能。

2 電液系統的改進設計

2.1 電液控制系統總體設計

在液壓支架中需要油缸等元件的動作配合才能實現支架在工作過程中的開合，以及與采煤機、輸送機相互配合完成自動化采煤動作，做到工藝全流程的自動化，而支架的這類動作的控制都是來自于電液控制系統。系統不僅需要實現動作而且還應該監控支架的運轉，第一時間了解支架的工作狀態，保障支架以及現場人員的安全。工作面中的支架一般為多臺配合動作，為了更好地實現機器的單動與聯動配合，將每個支架都配備一臺獨立的控制器，同時在每臺控制器安裝獨立的電源，實現多臺支架的并聯。當一臺出現故障時，其余多臺繼續保持正常工作，同時各臺之間采用以太網進行連接，直連中央控制主機，由主機下發指令，多臺支架完成配合作業。改進后的液壓支架電液控制系統總體框架如圖3 所示。

2.2 單支架電液控制系統結構設計

液壓支架之間相互獨立，每臺支架上的控制箱中有支架的控制器、傳感器以及紅外儀等，組成了一個獨立的控制系統。控制器由PLC 組成，能夠通過電磁閥組實現信息的交互，控制支架的動作；傳感器主要由位移以及壓力傳感器組成，用于檢測支架的實時位置以及油缸管路等的狀態，并將信息顯示在主控計算機屏幕上；紅外檢測儀由發射器與接收器兩部分組成，主要用于采煤機的位置檢測以及支架跟機位置檢測。該系統真正意義地實現了集電源供應、信息采集、屏幕顯示以及控制響應一體化，實現了支架的推溜移架自動化。圖4 為支架電液系統結構設計圖。

圖3 液壓支架電液控制系統總體框架圖

圖4 支架電液系統結構設計圖

2.3 支架電液系統硬件結構設計

上述所提到的單支架電液控制系統結構設計中，支架的控制箱主要由3 大部分組成，其中硬件結構的主要邏輯框圖與結構設計圖一致，主要包括電源、顯示器、紅外儀、電磁閥組以及傳感器等。對元器件選型會直接影響最終系統的執行。表1 為主要元器件的選型明細。

表1 部分元器件的選型明細

2.4 支架電液系統軟件系統設計

支架主要的動作包括立柱的升降以及推溜移架，軟件的設計主要針對這兩個部分來進行。

2.4.1 支架立柱升降程序設計

支架的立柱升降動作通常由中央控制主機來控制，通過觸發開關，將預設位移壓力信號傳輸至所選支架的PLC 中，后將信號通過電磁閥轉換，來執行對立柱動作的控制。同時，支架的位移以及壓力傳感器將數據實時傳輸，當實際值達到預設值時，電磁閥自動關閉，結束支架動作，完成立柱升降。為了實現整個動作過程的準確性以及平穩性，需要賦予程序較強的邏輯性。立柱升柱動作的流程圖如圖5 所示。

2.4.2 支架立柱升降移架聯動程序設計

支架工作過程中其動作一般為聯動，即為立柱的升降與支架的移架相配合。其中支架的推溜移架與立柱升降工作過程相類似，即為觸發信號，傳至電磁閥（不同功能對應不同的電磁閥），后執行動作。支架的聯動程序流程圖如圖6 所示。

圖5 立柱升柱動作流程圖

圖6 支架聯動程序流程圖

3 結語

液壓支架電液控制系統在一定程度上會對支架的壽命造成影響，為了解決現用支架靈敏度低、故障率高、配合較差的問題，本文對原有電液系統進行改進設計，將PLC 技術運用到電液控制系統的設計中，搭建了一個全新的自動化支架電液控制系統。該系統既實現單個支架個體化，支架之間可以互不影響，同時又可以實現配合聯動，實現了支架的精準化控制，降低響應時間，提高了設備的靈敏度與可靠性，值得進一步推廣。