煤礦綜采面液壓支架電液控制系統設計

梁 凱

(西山煤電(集團)有限責任公司 職業病防治所，山西 太原 030053)

0 引言

液壓支架作為井下采煤工作面的關鍵支護設備，是完成井下煤炭開采、運輸及支護過程綜合機械化的重要保障[1-4]。液壓支架的主要作用是對煤礦綜采工作面的頂板及礦山壓力進行有效支撐及控制，從而起到綜采面防護和結構支撐作用，并與綜采面采煤機及刮板輸送機實現聯動工作，保證整個采煤過程安全、高效進行[5-7]。液壓支架主要由以液壓缸為主的液壓傳動機構和電液控制系統組成，通過電液控制系統對液壓缸進行控制，從而實現對液壓支架的動作控制、補壓、閉鎖急停等操作[8]。可以看出，液壓支架控制系統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化水平及工作效率。

目前國外針對液壓支架自動控制系統等關鍵技術的研究相對成熟，受技術封鎖及設備進口成本高等因素影響，國內多數煤礦的開采裝運仍然依靠人工現場完成，開采效率及安全性受到嚴重影響。具備液壓支架電液控制系統的煤礦多以進口設備為主，并不具備自主知識產權，因此系統造價和維修成本很高，經濟性較差。針對上述問題，本文設計了一種基于PLC控制的液壓支架電液控制系統，系統通過位移、壓力等傳感器對液壓支架的移動位置、油缸壓力等重要參數進行實時監測及反饋，通過PLC對液壓支架的動作時間、速度及工作方式進行自動控制，有效降低了綜采面的人力投入，提高了綜采面的生產效率及安全性。

1 液壓支架電液控制系統總體設計方案

1.1 液壓支架電液控制系統功能需求分析

在對該控制系統進行總體設計前，首先需要對系統主要功能進行分析。液壓支架電液控制系統主要通過PLC、各類傳感器與上位機的聯合工作對液壓支架實施有效的自動控制及監測，從而代替人工監控。具體功能需求分析如下：

(1) 可實現對液壓支架的遠程動作控制。系統可根據傳感器的反饋數據通過PLC及控制程序控制液壓支架自動完成單架或成組升降柱、平衡梁及側護板伸縮、推溜、移架等操作，還可無擾動切換至手動模式進行人工按鈕操作。

(2) 具備運行參數實時采集監測功能。控制系統可對液壓支架的油缸壓力、位移量及采煤機的行程及位置等參數進行實時采集，用于向控制系統提供控制反饋，從而對液壓支架進行實時動態控制。

(3) 具備急停閉鎖及故障報警功能。當液壓支架處于固定狀態時，控制系統可對其實施閉鎖；當液壓支架處于故障狀態或遇到突發情況時，控制系統可對其進行緊急停機及聲光報警，并對事件進行記錄。

(4) 具備智能化自動控制功能。控制系統可根據紅外傳感器實時反饋的采煤機位置信息對液壓支架進行自動跟機控制；控制系統可通過壓力傳感器實時反饋液壓支架的油缸壓力，當壓力下降時控制液壓支架進行自動補壓，無需進行人工補壓操作。

1.2 液壓支架電液控制系統架構

根據上述功能需求分析，本文采用模塊化設計對液壓支架電液控制系統進行架構，系統總體結構如圖1所示。根據各模塊所實現的不同功能，該控制系統主要劃分為PLC主控模塊、上位機監控平臺、參數采集模塊以及執行機構模塊等部分。PLC主控模塊用于控制指令的上傳下達及工況參數的收集與上傳，是整個系統的控制核心。參數采集模塊主要由油壓、位移及紅外等各類傳感器組成，用于實時采集液壓支架油缸油壓、位移及采煤機位置等關鍵參數。上位機監控平臺主要由搭載電液控制系統軟件的計算機、不間斷電源及打印機等設備組成，用于參數的實時顯示、分析處理及控制命令的下達。執行機構模塊主要為液壓支架動作機構，用于執行PLC的控制指令，實現相應支架功能。

圖1 液壓支架電液控制系統總體結構框圖

2 硬件方案設計

液壓支架電液控制系統的硬件方案設計內容主要包括PLC主控模塊選型設計以及參數采集模塊的選型設計。其中，PLC主控模塊的設計主要包括對PLC主控器CPU、電源模塊、通訊接口以及數字量、模擬量輸入輸出模塊的選型設計；參數采集模塊設計主要內容為油壓、位移及紅外傳感器的選型設計。

PLC主控器是電液控制系統的核心，其運行可靠性及性能是保證控制系統控制效果及響應速度的關鍵。由于電液控制系統所需的I/O點數及存儲容量適中，結合經濟性本文選用西門子S7-300 PLC作為系統的主控模塊，處理器選用313C-2DP緊湊型CPU，其內部具有32 kB隨機存儲器及16路數字輸入及16路數字輸出，內置Profibus DP主/從接口，同時支持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自帶的模擬數字量接口有限，因此主控模塊需額外配備模擬量及數字量輸入輸出模塊，其選型分別為SM321(DI)、SM322(DO)、SM331(AI)、SM332(AO)。

數據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)型礦用壓力檢測傳感器對液壓支架液壓缸油壓進行監測。GPD60(A)的測壓范圍為0～60 MPa，工作電壓采用12 V DC，基本誤差可穩定維持在±1%FS，輸出信號為4 mA～20 mA標準電流信號或0 V～5 V電壓信號，可滿足本系統的油壓監測需求。

位移傳感器是檢測液壓支架行程及位移量的主要設備，本文采用MTL3型礦用磁致伸縮位移傳感器對支架推移行程進行監測。MTL3傳感器的測量范圍為100 mm～1 200 mm，線性誤差及遲滯可穩定維持在0.05%FS及0.001%FS之下，其分辨率高達0.001%，可輸出4 mA～20 mA DC、0 V～5 V/10 V DC標準信號，同時支持RS485通訊方式，可滿足本系統的支架位移測量需求。

本文通過紅外傳感器對采煤機位置及液壓支架動作進行精確判斷，從而實現自動跟機等智能控制功能。紅外傳感器選用GUH5-S(F)型紅外收發器，其有效照射及接收距離為0～3 m/0～5 m，發射及接收角度為-20°～+20°/-40°～+40°，采用12 V DC供電方式，支持RS485總線通訊，現場可將紅外發射器及接收器分別安裝于采煤機及液壓支架上，實現二者位置信息交互。

3 軟件方案設計

電液控制系統軟件功能主要包括對單個或成組支架的升降柱及推溜等動作的自動控制及自動補壓功能。當上位機系統下達升、降柱指令時，系統可對控制模式進行選擇，當系統判斷采用自動控制模式時，PLC將立即做出響應，完成開機報警后主控器開啟升、降柱，電磁閥執行相應操作，并通過參數采集模塊對液壓支架的油缸壓力及位移量進行實時監測，當壓力及位移參數達到升、降柱要求時，系統自動控制升、降柱，電磁閥關閉，整個支架動作完成。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 電液控制系統升降柱/推溜動作控制程序流程圖

為了確保每臺液壓支架在完成拉架操作后其支撐力達到系統要求，本文對液壓支架自動補壓程序進行了設計。系統首先通過參數采集模塊對液壓支架立柱壓力進行實時監測，當立柱壓力未達到系統預設值時，上位機監控平臺將下達自動補壓指令，由主控模塊執行支架自動補壓供液操作。當對某一支架的補壓操作執行超過3次后支架的支撐力仍未達到系統預設值時，則判定自動補償失敗，此時系統會立即停止補壓并由主控模塊發出報警信號。自動補壓控制程序流程如4所示。

圖3 自動補壓程序流程圖

4 結束語

本文在對煤礦綜采面液壓支架控制系統功能需求分析的基礎上，結合傳感器及電液控制技術對其電液控制系統進行了硬件及軟件方案設計。系統通過油缸壓力及支架、采煤機行程參數的反饋對液壓支架的基本動作進行控制，實現了液壓支架的自動跟機及自動補壓功能，通過該系統有效提高了煤礦綜采面的智能化程度。